¿Metales Flotando en el Aire?

Utilizando un Campo de Fuerza para hacer flotar metales líquidos en el aire, el Levitador Electrostático de NASA crea un ambiente único para pruebas y proceso de materiales de la era espacial.

Abril 23, 2001 -- Justo en frente de sus ojos, flotando en el aire sin medios visibles de soporte, usted puede ver una bola de metal líquido incandescente. Los científicos se reúnen alrededor, discutiendo acaloradamente, observando y anotando las mediciones que hacen. A diferencia del metal en prueba, sin embargo, los observadores no flotan. La gravedad los mantiene firmemente sobre el piso.

¿Qué hace flotar al metal? ¿Se encuentras estos científicos en una presentación de magia?

No, no son trucos mágicos. Es el Levitador Electrostático (Electrostatic Levitator o ESL en inglés) en el Centro Marshall de Vuelo Espacial de NASA (MSFC), en Huntsville, AL - un Laboratorio especial para llevar a cabo experimentos con materiales de la era espacial.

El ESL provee una manera única de probar sustancias sin que estas estén en contacto con un contenedor o crisol que pueda contaminar la muestra. Es utilizado para examinar metales, cerámica y compuestos de vidrio en estado liquido, a altas o bajas temperaturas. Los resultados que el Dr. Jan Rogers, Científico del Proyecto ESL, y sus colegas en el Grupo de Ciencias de Materiales bajo Gravead Cero del Centro Marshall obtienen de las pruebas, les demuestran nuevas propiedades fundamentales sobre muchas clases de materiales.

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El Laboratorio del ESL para "procesos sin contenedor" produce también información que ayuda en la creación de nuevos materiales tales como vidrios metálicos, y compuestos de metal y cerámica. Aplicaciones para estas nuevas sustancias incluyen nuevos materiales ópticos, superconductores, vidrio irrompible, materiales con memoria, y hasta palos de golf de "metal líquido" que golpean la bola a mayores distancias.

"Para crear nuevos materiales tanto para aplicaciones tecnológicas en la Tierra como en el espacio, debemos entender las propiedades físicas que determinan el comportamiento de las sustancias y sus ingredientes," explica Rogers. "Los estudios que se están efectuando en materiales de cerámica y metales en su estado líquido cubren un amplio rango de características. Necesitamos obtener información sobre la estabilidad de la superficie en estado líquido, la densidad y flujo de los materiales, su capacidad para absorber y emitir calor, y como llegan al estado sólido. Estudiamos fenómenos muy especiales como el subenfriamiento (undercooling, en ingles) y la enucleación."

El Subenfriamiento describe hasta que temperatura por debajo de su punto normal de congelación un material puede mantenerse en estado líquido, - si presenta o no formaciones de núcleos y se cristaliza cuando se enfría. Algunos metales permanecen en un estado amorfo, no cristalizado, cuando regresan a su estado sólido y se convierten en nuevos materiales muy útiles llamados vidrios metálicos.

"La determinación exacta de estas propiedades es muy difícil cuando los materiales se prueban dentro de un contenedor," anota Rogers, "porque cualquier cosa que contenga una muestra en estado líquido alterará los resultados y las observaciones ya que de una manera u otra va a interactuar física o químicamente con la muestra."

El ESL utiliza electricidad estática para hacer flotar un objeto dentro de una cámara al vacío. Mientras la muestra está en levitación, un rayo láser calienta la muestra hasta su punto de fundición de tal manera que los científicos pueden medir sus propiedades físicas sin interferencia del contenedor.

Arriba: El componente principal del ESL es la cámara al vacío. (derecha) Esta contiene un par de platas electrostáticas y cuatro electrodos que colocan en posición la muestra en proceso (Izquierda). La posición de la muestra se determina por la sombra que proyecta sobre detectores mientras dos lásers envían rayos de luz en ángulo recto a través de la cámara al vacío y sobre la muestra.

Dos placas horizontales que actúan como electrodos, cargan la muestra eléctricamente y la repelen hacia arriba y hacia abajo hasta que ésta encuentra una posición de balance entre las dos. La muestra es colocada en la posición vertical por dos pares de electrodos más pequeños. Una lámpara de arco de deuterio de alta energía alumbra la muestra para reemplazar la carga eléctrica que pierde al emitir electrones por razón de la temperatura. Un sistema de realimentación digital controla la posición de la muestra, utilizando láser para calcular pequeños cambios en la carga de los electrodos y la ubicación de la muestra. De esta manera la muestra permanece iluminada por el láser que aplica el calor - aunque algunos experimentos pueden efectuarse sin calentamiento por los láser.

Hasta ahora la energía del levitador electrostático es limitada de tal manera que las muestras no pueden tener más de 3 mm (0.12 pul) en diámetro y pesar más de 30 a 40 Mg. Sin embargo, y de acuerdo con Rogers, varios investigadores están utilizando información provista por el levitador electrostático para desarrollar procesos e instrumentos que pueden manejar muestras de mayor tamaño y peso.

¿Que es "Subenfriamiento"? Subenfriamiento es un proceso fascinante. Si se efectúa correctamente, la temperatura de un líquido puede reducirse más allá del punto normal de congelación mientras este permanece sin congelarse o sin solidificarse y aún el estado líquido. Esto es subenfriamiento. El fenómeno del subenfriamiento se presenta en substancias puras, sin perturbaciones que se enfrían lentamente. Mientras que las moléculas no se agrupen para formar un núcleo sólido (llamado"enucleación"), la muestra permanece en el estado líquido. Una vez que se forma un núcleo sólido, éste se extiende rápidamente por toda la muestra, y aquí, otra contradicción ocurre. La temperatura se eleva rápidamente mientras el calor latente de fusión es emitido en un fenómeno que se llama "recalescencia" -- (recalescence en inglés) y muchas veces se observa un destello de luz. La muestra entonces empieza a enfriarse mientras cambia del estado líquido al sólido. Derecha: El perfil de temperatura cuando una muestra es calentada y luego enfriada, y durante recalescencia, se muestra en la gráfica de la derecha. Este perfil es importante par entender las propiedades físicas de diferentes aleaciones. Lo que es aún más interesante es que cuando se permite a la muestra subenfriada que se congele o solidifique, ésta forma un material que es muy diferente al material que se obtiene cuando se congela de la manera "normal" - este es el caso de nuevos materiales que se obtienen cuando una sustancia metálica subenfriada se congela o solidifica. Casi todo el mundo ha visto muchas veces un líquido subenfriado y luego solidificado rápidamente - uno que se llama ¡nieve! Los copos de nieve se forman cuando agua subenfriada cae a través de la atmósfera, chocando eventualmente con otra gota de agua o con un grano de polvo en el aire, lo cual hace que ésta se solidifique rápidamente para formar una estructura cristalina en el copo de nieve. La estructura del copo de nieve es muy diferente a la del hielo común, aunque ambas son agua congelada. Esto es porque el hielo se congela desde su estado normal líquido, mientras que los copos de nieve se solidifican desde su estado de subenfriamiento. Si los copos de nieve se mantienen sin perturbaciones, eventualmente se convierten en hielo común - porque el "estado de copo de nieve" es solo parcialmente estable, o meta estable. Si un metal suspendido en un vacío, sin tocar un contenedor es calentado y luego enfriado, su temperatura puede bajar más allá del punto de congelación mientras permanece en el estado líquido. De esta manera es posible tener metales líquidos a una temperatura varios cientos de grados por debajo del punto normal de solidificación o "congelación" del metal. Cuando el metal eventualmente se solidifica, esto ocurre en una fracción de segundo, tan rápido que su energía emite un pulso de luz. Las clases de metales sólidos que se obtienen bajo este proceso son muy diferentes de las que se obtienen de cualquier otra manera. Algunos de los nuevos materiales metálicos obtenidos por el proceso de subenfriamiento permanecen en un estado amorfo en su estructura molecular, sin cristalizarse. Estos materiales son llamados "metales líquidos" -- e incluyen materiales como la aleación Liquidmetal (marca registrada) mezcla de titanio, zirconio, níquel, cobre y berilio que se utiliza en palos especiales de golf.

El ESL es utilizado por el grupo de NASA y también por investigadores de Universidades y Corporaciones seleccionados a través del programa de Anuncios de Investigaciones de NASA (NASA Research Announcement (NRA) program, en inglés), el cual extiende invitaciones a algunos investigadores para usar las facilidades y recursos de NASA. A través del programa NASA anuncia los temas de investigación en soporte de los programas de NASA e identifica las propuestas que podrían ser financiadas, de acuerdo a una competencia entre los proyectos e ideas presentados por los participantes. Las selecciones a través de este programa pueden resultar en subvenciones, contratos o convenios de cooperación. NASA financia y presta soporte para experimentos que incluyen el ESL en la Terra bajo condiciones normales de gravedad y también proyectos de vuelos espaciales que se llevan a cabo en el Trasbordador Espacial o en la Estación Espacial Internacional.

Los científicos pueden también proponer la utilización del ESL a través de "Acuerdos de Desarrollo de Tecnología Avanzada," los cuales están reservados para proyectos de investigación de alto riesgo.

"Nuestra instalación del ESL y su habilidad implícita de manejo de procesos donde no se emplean contenedores, es el único laboratorio nacional disponible para que investigadores seleccionados puedan llevar a cabo experimentos con variedades de compuestos metálicos y cerámicos," dice Rogers. "Nuestro objetivo es proporcionar un lugar donde investigadores de los sectores público y privado puedan dedicarse a la creación de nuevos materiales y nuevas aplicaciones, a partir de la información sobre materiales que hemos desarrollado."

El Centro Marshall de Vuelo Espacial recibe a investigadores que visitan el ESL durante la conducción de experimentos sobre proceso de materiales. Una visita típica puede tener una duración de una o dos semanas. Los investigadores visitantes proveen muestras de material, información disponible sobre las propiedades de las muestras, un plan del experimento y algunos instrumentos que puedan utilizarse para recolección de datos. El personal del ESL trabaja junto con los investigadores para realizar los experimentos.

Durante el año 2000 NASA seleccionó 65 investigadores para recibir subvenciones en el campo de la Ciencia de Materiales bajo Gravedad Cero - con un total aproximado de $22 millones de dólares para experimentos a ser llevados a cabo en la Tierra y durante un periodo de cuatro años.

Además de los muchos proyectos de investigación financiados por NASA para experimentos en la Tierra, existen también cuatro proyectos para experimentos en vuelos espaciales. Estos se encuentran en desarrollo junto con tres Universidades y una Corporación:

• Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Cambridge, MA -- Prof. Merton C. Flemings: "El papel de la convección y la competencia en crecimiento sobre Selección de Fase en Ambiente de Gravedad Cero " -- estudia de qué manera los movimientos en una muestra de líquido, y el crecimiento de cristales competitivos dentro de éste, afecta cada una de las fases de cambios en los materiales mientras estos pasan del estado líquido al sólido en el ambiente de gravedad cero del espacio.
• Instituto Tecnológico de California, Pasadena, CA -- Prof. William L. Johnson: "Propiedades Físicas y Procesamiento de Aleaciones de Vidrio Metálico Subenfriado " -- estudia los varios aspectos del vidrio metálico, o "metal líquido", aleaciones formadas en gravedad cero.
• Universidad de Washington en St. Louis, St. Louis, MO -- Prof. Kenneth F. Kelton: ""Estudios sobre Enucleación y Crecimiento, Calor Específico y Viscosidad en Fundiciones Subenfriadas de Cuasi cristales y Aleaciones que presentan formación de Fase Poli tetraédrica" -- un estudio sobre varias características de aleaciones sólidas subenfriadas, creadas por variedades específicas de formación cristalina.
• Containerless Research Inc., Evanston, IL -- Dr. Richard Weber: "Estudios de Transiciones de Fase Líquido-líquido en Fundiciones Subenfriadas de Aluminio y Itria bajo condiciones de Gravedad Cero " -- experimentos sobre cómo ciertas sustancias se forman a partir del subenfriamiento de vidrio fundido y óxidos.

Es posible que el maravilloso Levitador Electrostático de NASA en realidad no sea mágico, ¡pero los descubrimientos que resultarán de su utilización en estos diversos estudios, ciertamente que continuarán siendo asombrosos!

El ESL fue desarrollado por Loral Space Systems de Palo Alto, California, y donado al Centro Marshall de Vuelo Espacial en Huntsville, AL, en 1998.

La instalación del ESL complementa las investigaciones con las Cámaras al Vacío para caída libre o Drop Tube Facility en inglés, también del Centro Marshall de NASA y con facilidades de vuelo espacial como las del Horno para Levitación Electromagnética TEMPUS, TEMPUS electromagnetic levitation furnace en inglés, enviado a órbita en 1997 en una misión del Trasbordador Espacial "Spacelab." El ESL mantiene muestras de material con acceso completo por los detectores por varios minutos en cada prueba, pero las muestras están siempre bajo los efectos de la gravedad terrestre. Experimentos de Cámaras al vacío son verdaderamente de gravedad cero, pero solo con una duración de menos de cinco segundos. Luego, la muestra sale rápidamente del campo de acción de los detectores. TEMPUS y otras instalaciones en órbita permiten experimentos de gravedad cero por largos periodos de tiempo, pero deben planearse con anterioridad de varios años.

Las instalaciones del ESL del Centro Marshall son responsabilidad de la Oficina de Proyectos de Ciencias de Materiales bajo Gravedad Cero de NASA.

Flotando -- -- Artículo de Science@NASA: Científicos de NASA hacen flotar materiales en un vacío, usando un aparato que utiliza electricidad estática donado por Loral Space Systems.

El Levitador Electrostático del Centro Marshall de Vuelo Espacial (ELF) provee nuevas revelaciones sobre las propiedades de materiales.

El Programa de Anuncios de Investigaciones de NASA (NRA) solicita propuestas --- y provee fondos -- para proyectos de Investigación en la Tierra y en el Espacio, por Universidades, Fundaciones y Corporaciones.

TEMPUS -- El Sistema de Proceso Electromagnético sin Contenedor ( Electromagnetic Containerless Processing Facility, en inglés), llamado "TEMPUS" (siglas de "Tiegelfreies Elektromagnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit" - un acrónimo alemán que significa "Procesamiento electromagnético sin contenedor bajo gravedad cero") ha sido creado y colocado en órbita por la Agencia de Investigación Espacial Alemana, DLF, y por NASA.

Siga la bola que rebota para mejorar los metales. -- Artículo de Science@NASA: El horno especial TEMPUS hace su segundo vuelo especial en el Laboratorio Espacial Internacional MSL-1 en una misión para efectuar pruebas de materiales utilizando levitación electromagnética.

Golf con Liquidmetal -- Una aplicación de un nuevo vidrio metálico.