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7 de septiembre, 2001: La próxima vez que vea hervir una tetera de agua, ya sea para el café o una taza de sopa, deténgase un momento y piense: ¿Cómo se vería en el espacio? ¿Veríamos a las turbulentas burbujas subir o bajar? ¿Qué tamaño tendrían? ¿Se quedaría el líquido en la tetera? Hasta hace unos años, nadie lo sabía. Hasta los físicos tienen problemas al intentar comprender cómo es el complicado comportamiento de los líquidos hirvientes aquí en la Tierra. Tal vez hervir en el espacio podría ser incluso más desconcertante.... Este es un asunto importante, ya que la ebullición no se produce sólo en las cafeteras, sino que también en los generadores de energía y en los sistemas de refrigeración de las naves espaciales. Los ingenieros necesitan conocer cómo funciona la ebullición.  Arriba: Sin convección o flotación, los fluidos hirvientes, se comportan en forma muy diferente en el espacio. Haga clic en la imagen para ver una película de baja resolución QuickTime (400 kB) comparando la ebullición tanto en el espacio como en la Tierra. También está disponible en alta resolución (4.3 MB). Imagen cortesía del Centro Glenn de Investigaciones (Glenn Research Center) de NASA. A comienzos de los 90s un equipo de científicos e ingenieros de la Universidad de Michigan y de la NASA decidieron averiguarlo. Utilizando un refrigerante de freón como líquido, realizaron una serie de experimentos de hervor en 5 misiones del Transbordador espacial, entre 1992 y 1996. Por supuesto que encontraron diferencias curiosas entre lo que les ocurre a los fluidos hirvientes en la Tierra y en órbita (estado de caída libre). Por ejemplo, un líquido hirviendo en un ambiente sin peso produce -- en lugar de miles de burbujas efervescentes -- ¡una sola burbuja ondulante que se traga las más pequeñas!
"Piense en ello: en realidad, nadie había visto un líquido hervir en el espacio antes de estos experimentos -- ¡nadie en el mundo, jamás!" dice el Dr. Francis Chiaramonte, quien fue el Científico de la NASA en el Proyecto del Recipiente de ebullición Experimental. Actualmente, dice, esta serie de experimentos han llegado a ser considerados como "clásicos" por los investigadores de hoy. Además de su valor recreativo, esta investigación es mucho más que una simple curiosidad. Aprendiendo cómo hierven lo líquidos en el espacio, conducirá al diseño de sistemas de refrigeración más eficientes para las naves espaciales, tales como el sistema de amoníaco de la Estación Espacial Internacional. El conocimiento de la ebullición en el espacio podría además ser útil algún día en el diseño de centrales generadoras de energía para las estaciones espaciales, las cuales utilizan la luz solar para hacer hervir un líquido que genera vapor, el que a su vez mueve una turbina para producir electricidad. La investigación podría además tener aplicaciones en la Tierra. El ambiente sin peso da a los científicos una nueva "ventana" para analizar el fenómeno de la ebullición. Los científicos pueden utilizar esta perspectiva para mejorar su comprensión de los fundamentos del hervor, los cuales podrían ser utilizados para mejorar el diseño de las centrales de electricidad en la Tierra.
"El fenómeno de la ebullición es tan complejo que la mayor parte de nuestros conocimientos sobre él son empíricos, más que derivados de soluciones de ecuaciones fundamentales," dice Chiaramonte. En la caída libre orbital, el hervor es más sencillo que en la superficie de la Tierra. El ambiente sin peso elimina dos de las variables de la ebullición -- la convección y la flotación. Esta diferencia explica porqué los líquidos hirviendo se comportan en forma tan diferente en el espacio. Esto provee además una poderosa herramienta para los científicos que desean descifrar la compleja física de la ebullición. "Como ejemplo, imaginese que está tratando de estudiar la Tierra, con sus muy complejos ecosistemas. Desearía además estudiar un planeta más simple, con menos variables. Una cosa que hace el espacio por nosotros, es simplificar el problema que estudiamos," dice Chiaramonte. En la Tierra,cuando calentamos un líquido en un recipiente, la gravedad hace que las regiones más calientes en el líquido suban, y las partes más frías y densas, se hundan -- un proceso llamado "convección." Este movimiento reparte el calor dentro del líquido. Una vez que comienza a hervir, la flotación envía a las burbujas contoneándose hacia arriba, creando los "borbotones." Todo este movimiento dentro del líquido hace que la física de la situación sea más compleja.
Sin convección ni flotación, el proceso se desarrolla en forma diferente. El fluido caliente no sube, y se queda cerca de la superficie del calentador aumentando su temperatura. Las regiones del líquido alejadas del calentador permanecen relativamente frías. Debido a que es un volumen menor de agua el que se calienta, comienza a hervir mucho más rápido. Sin embargo, a medida que se van formando las burbujas de vapor, éstas no parten hacia la superficie -- sino que se unen en una burbuja gigante que tambalea dentro del líquido. Gran parte de esto podría haberse pronosticado a partir de las teorías existentes, pero para conocer los detalles del proceso y buscar comportamientos inesperados, era necesario llevar a cabo un experimento real. "Había muchos asuntos fundamentales que todavía no se comprendían bien" dice el Dr. Herman Merte, Investigador Principal de los experimentos. Merte, a quién algunos ven como una suerte de "padre fundador" de la investigación del hervor en ambiente de caída libre, diseñó los experimentos que podemos ver en los vídeos. Merte y otros científicos habían realizado investigaciones previas la ebullición en ambientes sin peso, utilizando "torres de caída," donde se puede simular la condición de gravedad cero, (mientras la muestra cae, no tiene peso) por algunos segundos, con simplemente arrojar muestras dentro de una alta torre. Estos experimentos iniciales sumunistraron algunas guías para el diseño del experimento realizado en el Transbordador. Sin embargo, estas breves ojeadas no se pueden comparar a las observaciones de varios minutos que permite el Transbordador.
Un producto importante de esta investigación previa, fue sin duda, el método para construir la cámara de ebullición, que da la posibilidad a los científicos de mirar a través de la superficie del calentador y observar al líquido allí donde toma contacto con el calentador. "La acción se produce en la interfaz sólido-líquido del calentador, y no se puede observar desde arriba debido a que encuentra interferencia de la refracción de la superficie superior del fluido," dice Merte, quien se retiró hace poco tiempo como Profesor Emérito de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Michigan. Merte utilizó cuarzo para fabricar un fondo resistente, suave y transparente para la cámara de ebullición. Luego recubrió el cuarzo con una capa superfina de oro. Con menos de 400 angstroms de grueso (un angstrom es un diez mil millonésimo de metro), esta capa era tan delgada que permitía que la luz visible pasara a través de ella, aunque de igual manera, era tan buena conductora de electricidad como el oro macizo. Abajo: Un método para simular las condiciones de falta de peso que se encuentran en el espacio, es sencillamente dejar que una muestra caiga libremente dentro de una "torre de caída," como esta del Centro Glenn de Investigaciones de la NASA en Cleveland, Ohio. Otros métodos para obtener las condiciones de falta de peso incluyen los vuelos en arcos parabólicos en aviones -- como el KC-135 NASA, el "cometa vómito", utilizado para entrenar a los astronautas -- y los cohetes sondas. Imagen cortesía del Centro Glenn de Investigaciones de la NASA.
El conocer exactamente las condiciones bajo las cuales esto ocurre es vital para el diseño de sistemas de naves espaciales que podrían depender de la ebullición. "Si usted comprende mejor un fenómeno, entonces lo puede utilizar para diseñar más cerca de sus límites de optimización," dijo Merte. "Si tiene alguna incertidumbre, entonces diseñará en forma conservadora." Sobre las bases de estos experimentos, los investigadores de hoy día continúan ampliando sus conocimientos. Con una mejor comprensión de la física de los fluidos hirvientes, los ingenieros serán capaces de diseñar mejores sistemas de refrigeración y de generación de energía para que puedan servir a la gente en el futuro -- ya sea en el espacio o aquí en la Tierra. Nota: Para solicitar una copia del vídeo, de 67 minutos, con la filmación de los experimentos, por favor contáctese con el Centro Glenn de Investigaciones de la NASA (Glenn Research Center) al +1-216-433-6159 y solicite la cinta número 396. |
Derecha: Estos experimentos
pioneros sobre la ebullición en microgravedad (referida
aquí como ausencia de peso), fueron "productos de
la mente" del Dr. Herman Merte, recientemente retirado de
la Universidad de Michigan. Ver un 
Utilizando este aparato, Merte y sus colegas
realizaron interesantes descubrimientos. Por ejemplo, dependiendo
de las condiciones de temperatura del experimento, la burbuja
gigante permanecía, en ocasiones, suspendida en el centro
del líquido y en otras adherida a la superficie del calentador.
Cuando la burbuja permanecía adherida -- lo que Merte
llama "secarse" -- aislaba eficientemente el líquido
del calentador, impidiendo que continuara hirviendo y provocando
el alza de la temperatura del calentador.
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