Científicos de Novosibirsk, descubren cómo hierve un líquido en el espacio
Novosibirsk, Novosibirsk, Rusia, Asia.- Investigadores han descubierto cómo hierve un líquido en el espacio. Resulta que, en gravedad cero, las burbujas que se forman durante la ebullición en la superficie del calentador crecen durante un tiempo prolongado (más de 9 segundos) y alcanzan varios centímetros de diámetro, pero no flotan. En la Tierra, en cambio, las burbujas se forman, se separan de las paredes y flotan hacia la superficie.
Debido a que los mecanismos de ebullición en gravedad cero no se han estudiado lo suficiente, los sistemas bifásicos de extracción de calor más eficientes, donde el trabajo principal lo realiza la transición de fase del refrigerante de líquido a vapor, no se han utilizado para refrigerar naves espaciales. Los nuevos datos, así como el modelo analítico de ebullición que están desarrollando los autores, serán útiles para el desarrollo de sistemas de refrigeración modernos para dispositivos eléctricos en la Estación Espacial Internacional y otras estaciones y naves espaciales. Los resultados del estudio, financiado con una subvención de la Fundación Rusa para la Ciencia (RSF), se publicaron en las revistas Physics of Fluids e Applied Thermal Engineering.
Para eliminar el calor de los dispositivos y evitar su sobrecalentamiento, las naves espaciales suelen utilizar sistemas de refrigeración monofásicos. Un líquido (normalmente agua, amoníaco o etilenglicol) circula por tubos adyacentes a los dispositivos, absorbiendo calor debido a su propia capacidad calorífica; es decir, porque el refrigerante se calienta y enfría el dispositivo. En la Tierra, se utilizan sistemas bifásicos, en los que la sustancia existe tanto en forma líquida como en vapor. Utilizan la evaporación de un refrigerante, como el agua, que circula dentro del sistema. El líquido se transforma en vapor, absorbiendo una gran cantidad de calor, y luego se condensa en otra parte del dispositivo. Estos sistemas son más eficientes que los que se utilizan actualmente en el espacio. Sin embargo, para implementarlos, por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional (EEI), es necesario comprender cómo hierve el líquido en gravedad cero.
Investigadores del Instituto de Termofísica S.S. Kutateladze de la Academia Rusa de Ciencias (Novosibirsk) y la Universidad Estatal de Novosibirsk, junto con colegas, realizaron un experimento y desarrollaron un modelo numérico que explica cómo hierve el líquido en gravedad cero. Los autores examinaron inicialmente cómo crecen las burbujas en el líquido a temperatura de saturación (ebullición) y luego ampliaron su estudio explicando cómo se produce la ebullición en condiciones de subenfriamiento, es decir, cuando la temperatura del líquido es varios grados inferior a la temperatura de saturación.
Los científicos realizaron una prueba en la Estación Espacial Internacional (ISS) calentando perfluorohexano (un líquido especial utilizado para enfriar componentes electrónicos) desde abajo, en un contenedor cerrado equipado con cámaras de alta velocidad y otros sensores. El perfluorohexano se desgasificó previamente para estudiar el proceso de ebullición con la mayor precisión posible. El perfluorohexano es conveniente para la investigación porque su punto de ebullición es de tan solo 56 °C.
Resultó que, sin gravedad, las burbujas de vapor no ascienden, sino que crecen en el calentador y no se desprenden. Se forma un «punto seco» debajo de cada burbuja, una zona de la que no se disipa el calor. Esto crea un riesgo de sobrecalentamiento para los dispositivos electrónicos, lo que significa que, para garantizar el funcionamiento seguro de los dispositivos en el espacio, dichas burbujas deben eliminarse de la superficie.
Los investigadores también calcularon dónde y con qué intensidad se disipa el calor de la burbuja y descubrieron que la mayor transferencia de calor se produce donde la burbuja toca la pared del calentador. Los autores dividieron las zonas de evaporación en varias regiones, determinaron sus tamaños y evaluaron su eficiencia en la disipación del calor. Resultó que la región más pequeña (la línea de contacto con la pared) disipaba la mayor cantidad de calor.
En condiciones de subenfriamiento, los investigadores descubrieron un efecto inusual: la burbuja resultante no se condensó en el líquido subenfriado, más frío, y su tamaño fue mayor que el previsto por el modelo numérico. Esto se debió a que, a pesar de una desgasificación preliminar exhaustiva, aproximadamente el 1% de los gases disueltos permaneció en el líquido, que no se condensó. Los autores modificaron el modelo para tener esto en cuenta. Utilizando este modelo, determinaron que la convección termocapilar (el movimiento del líquido debido a las diferencias de tensión superficial causadas por las diferencias de temperatura) estimula el movimiento del líquido desde la pared caliente hasta la punta de la burbuja, intensificando aún más la transferencia de calor. Por lo tanto, al diseñar sistemas de refrigeración, los ingenieros deben prestar mayor atención a los gases disueltos en el líquido, que permiten que las burbujas persistan incluso en la capa de perfluorohexano, más fría.
En el futuro, planeamos abordar casos más complejos (grandes flujos de calor y subenfriamiento de líquidos) y continuar estudiando la influencia de los gases no condensables en el proceso de ebullición. Actualmente, no existen modelos que describan la influencia del subenfriamiento ni de los gases no condensables en dicho proceso. Su desarrollo nos permitirá predecir la eficiencia de los sistemas de enfriamiento y calcular la cantidad de calor que pueden eliminar. También estudiaremos cómo cambia el ángulo de contacto durante la ebullición. Este ángulo determina cómo la burbuja toca la superficie y cómo se ve afectada por la evaporación. Dado que la eliminación de calor es más eficiente cerca de la línea de contacto, es importante considerar los cambios en el ángulo de contacto durante la ebullición al diseñar sistemas de enfriamiento», explica Fyodor Ronshin, doctor en Física y Matemáticas, investigador principal del Laboratorio de Tecnologías de Eficiencia Energética para Aplicaciones Terrestres y Espaciales del Instituto de Termofísica Kutateladze de la Academia de Ciencias de Rusia y director del proyecto financiado con una beca de la Fundación Rusa para la Ciencia.
En el estudio también participaron científicos de la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica), la Universidad de Aix-Marsella y el Instituto de Mecánica de Fluidos de Toulouse (Francia).
