Láser de plasma hecho con helio Omicrono
El invento que cambiará la aviación y desafía a la física: una pistola congelante de plasma
Los investigadores han dado con una cualidad desconocida del plasma, es capaz de enfriar superficies y puede servir como refrigerante para aviones.
24 septiembre, 2023 01:17Desde las espadas láser de Star Wars, hasta la pistola congelante de Mr. Freeze interpretado por Schwarzenegger en la película Batman y Robin (1997), los cómics y el cine han llenado la imaginación de varias generaciones con armas futuristas que ahora la ciencia puede replicar. Una equipo de ingenieros ha creado un láser congelante con plasma que, lejos de su uso militar, pretende ser la solución a unos de los talones de Áquiles de la aviación. Una importante innovación, pues el plasma se usa principalmente para proporcionar calor.
El valor de la refrigeración de equipos electrónicos se palpa cada verano cuando la temperatura externa no facilita la ventilación de los circuitos de los móviles, relojes u otros dispositivos, que corren el riesgo de estropearse por sobrecalentamiento. Más sensibles son aún otros sistemas como los que mantienen en el aire los aviones a unas alturas donde la refrigeración natural es aún más compleja, por muy dificil de creer que pueda parecer.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Virginia ha encontrado en el uso del plasma una característica desconocida hasta el momento que permite enfrían rápidamente la mecánica. Esta solución se presenta como un salvavidas para la industria aeroespacial y ya ha llamado la atención de las Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos.
Enfriando aviones
A pesar del aspecto amenazante que puede tener este experimento, el objetivo de sus investigadores no es crear una nueva arma, sino una herramienta industrial. La refrigeración es un proceso muy demandado en mecánica e ingeniería aeroespacial.
"Muchos componentes electrónicos a bordo se calientan, pero no tienen forma de enfriarse", explica el profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial Patrick Hopkins. La idea ha sido muy bien acogida por la Fuerza Aérea de EEUU, hasta el punto de conceder al laboratorio ExSiTE (Experimentos y simulaciones en ingeniería térmica), donde trabaja este equipo, 750.000 dólares durante tres años para estudiar cómo maximizar la tecnología.
Aeronave AFJT, avión supersónico fabricado en España Omicrono
Este nuevo láser nace con la intención de sustituir o aportar un apoyo extra a los procesos de refrigeración que usa actualmente la industria aeronáutica, que a menudo recurre a un enfriamiento natural que no siempre es suficiente. La Armada, por ejemplo, utiliza agua del océano para mantener fríos los sistemas eléctricos de las naves militares. En otros casos, el aire denso cercano a la superficie es suficiente para mantener frescos los componentes de la nave.
Estos métodos naturales pierden efectividad cuando se trata de enfriar la mecánica en el espacio o en la atmósfera superior, donde hay menos aire y la carga de agua dificultaría el vuelo. El equipo de Hopkins persigue crear una solución ligera y rápida.
Plasma enfriante
El 99% de la materia observable en el universo es el plasma. Aparte de encontrarse en estrellas como el Sol, en la Tierra forma parte de algunas capas de la atmósfera y los rayos, por ejemplo. Es un estado fluido, parecido al gas, formado por partículas cargadas o átomos ionizados, donde los electrones circulan libremente.
Lengua de plasma saliendo del Sol Omicrono
Este estado de la materia se utiliza cada vez con más frecuencia, por ejemplo, en los motores de los aviones, al favorecer la combustión, mejorando la velocidad y la eficiencia de la tecnología. El plasma puede alcanzar temperaturas tan altas como la superficie del Sol. Sin embargo, estos investigadores descubrieron antes de la pandemia que esta característica podía violar la segunda ley de la termodinámica. Cuando el plasma golpea una superficie, este se enfría antes de calentarse.
En su experimento, dispararon un chorro de plasma violeta generado a partir de helio a través de una aguja hueca revestida de cerámica. El chorro impacta en una chapa de oro, un material inerte que no queda grabado ni afectado por el láser.
Estudiantes de doctorado con el láser de plasma Omicrono
Hopkins se ha especializado en la medición de temperatura a velocidades muy altas. Así, cuando enciende el haz de plasma, se mide la temperatura inmediatamente en el lugar donde ha impactado el láser.
Descubrieron que la superficie se enfría primero para después calentarse. Medir estos cambios de temperatura rápidos es realmente complejo, básicamente, cuando el material de la superficie está más caliente, refleja la luz de manera diferente que cuando está más frío. Si quisieran medir la temperatura con otro sistema por contacto directo, el plasma destruiría el medidor al instante.
Microsegundos gélidos
"No entendíamos por qué ocurría esto una y otra vez y no teníamos información a la que acudir porque ningún estudio previo había podido medir el cambio de temperatura con la precisión que tenemos. Nadie ha podido hacerlo tan rápido", explica. La explicación a la que ha llegado la han experimentado todas las personas del planeta en algún momento. Cuando una persona se moja, por ejemplo, en la ducha de la piscina, la evaporación de las gotas de agua sobre la piel requiere de energía que es extraída del calor del cuerpo, de ahí que la sensación sea de frescor en la piel.
Láser de plasma hecho con helio Omicrono
Lo mismo ocurre con el plasma, el enfriamiento de la superficie puede ser el resultado de la explosión de una capa superficial ultrafina y difícil de ver, compuesta de carbono y moléculas de agua. "En este caso, el plasma arranca las especies absorbidas, se libera energía y eso es lo que se enfría", indican.
Con este descubrimiento, determinaron que podían reducir la temperatura en varios grados y durante unos microsegundos. Si bien esto puede no parecer dramático, es suficiente para marcar la diferencia en algunos dispositivos electrónicos.
Ilustración del artículo en Nature Omicrono
Una revelación plasmada en un artículo en la revista Nature y que da paso a la creación de esa pistola láser congelante que proponen instalar en aviones. Con el apoyo económico de las Fuerzas Aereas de los Estados Unidos, el laboratorio se asociará con la empresa derivada de UVA de Hopkins, Laser Thermal, para la fabricación de un prototipo de dispositivo.
