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Cómo manejar fluidos flotantes en el espacio

Seis meses es un largo tiempo para estar lejos de casa. Pero la astronauta Sunita Williams tuvo el suficiente trabajo como para mantenerse ocupada durante toda su estadía en la Estación Espacial Internacional, incluyendo un grupo de experimentos que ella denominó "lámpara de lava".

"Lo llamo experimento de la 'lámpara de lava' porque parte del fluido utilizado es de color rosado y brota igual que ella", escribió Williams en su registro de la misión.

Williams realizando un Experimento de Flujo Capilar en la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA.

En realidad, los Experimentos de Flujo Capilar no tienen nada que ver con la lava o las lámparas. Son una serie de tres experimentos diseñados para investigar cómo es que los fluidos fluyen en la microgravedad. Los resultados ayudarán a los ingenieros a diseñar sistemas de manejo de fluido más eficientes, tales como tanques de combustible, sistemas de enfriamiento y sistemas de reciclado de agua, para las futuras misiones espaciales.

El problema con la microgravedad

En la Tierra, los sistemas de manejo de fluidos confían en la gravedad. En tu automóvil, por ejemplo, una tubería conecta el fondo del tanque con el motor. La gravedad deposita el combustible en el fondo del tanque y la bomba de combustible lo envía a través de la tubería hasta el motor. Pero en el espacio, donde la gravedad está virtualmente ausente, los fluidos no son tan predecibles. Los propelentes flotan en el interior de los tanques y las gotas de agua rebotan sobre los sistemas de reciclaje. Esto convierte en una tarea difícil el diseño de sistemas de manejo de fluidos para naves espaciales.

"Esto ha sido un desafío desde los años 50", dice Bob Green, un científico del proyecto del Centro Glenn de Investigación. "Una vez que estás en órbita, siempre hay cierta incertidumbre sobre dónde está el fluido dentro del tanque. A medida que el tanque es drenado y menos combustible queda en su interior, la posibilidad de tener graves problemas crece".

Para compensar esto, los ingenieros han desarrollado dispositivos denominados 'paletas' y 'pantallas'. Las paletas son surcos diseñados para guiar el fluido a través del tanque, y las pantallas empujan hacia afuera las burbujas de combustible que se forman. Ambos dispositivos usan fuerzas capilares para posicionar el fluido o para crear un "flujo capilar". Este término científico describe la manera en que responde la superficie de un líquido cuando entra en contacto con un sólido. El flujo capilar ocurre cuando las fuerzas adhesivas entre el sólido y el líquido son diferentes a las fuerzas cohesivas dentro del líquido.

Contact Line 2 es una de las seis unidades de Experimentos de Flujo Capilar.

"Un ejemplo clásico de flujo capilar es tocar, con un tubo delgado y transparente, la superficie del agua depositada en un vaso", dice Green. "El agua se elevará en el interior del tubo debido a la acción capilar". El mismo efecto hace que los materiales porosos, como las toallas de papel y el suelo, absorban el agua.

Sobre la Tierra, la fuerza de la gravedad típicamente empequeñece la fuerza de capilaridad, reduciendo la elevación del fluido a pocos milímetros. Pero en el espacio, donde la fuerza de la gravedad es cercana a cero, los capilares como las paletas y las pantallas transportan el fluido a mayor distancia. Los científicos todavía tienen mucho por aprender sobre el fenómeno para utilizarlo a su capacidad máxima. De hecho, las naves espaciales siempre han volado con combustible adicional, porque algo de él permanece en el tanque inafectado por los dispositivos capilares.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Portland, la Universidad Purdue, el Centro Glenn de Investigación y la compañía Zin Technologies han desarrollado los Experimentos de Flujo Capilar para ayudar a resolver el problema.

Experimentos de Flujo Capilar

El líquido rosado que recordó a Williams una lámpara de lava es realmente aceite de silicón flotando en el interior de un envase de Plexiglás. Los experimentos incluyen seis de tales envases, cada uno simulando las formas y condiciones comúnmente encontradas en los sistemas de manejo de fluidos en el espacio.

Desde que las primeras unidades fueron lanzadas en enero de 2004, los astronautas Michael Fincke, William McArthur, Jeffrey Williams y Michael Lopez han operado con ellas por lo menos una vez cada uno. Durante su larga estancia a bordo de la estación, Sunita Williams ha trabajado con los Experimentos de Flujo Capilar más veces que cualquier otro astronauta, ganándose el respeto del equipo completo.

"Suni ha trabajado con los experimentos nueve veces", señala el ingeniero Chuck Bunnell, del Centro Glenn. "Es por eso que la llamamos la Reina del CFE (Capilar Flow Experiments)".

Durante las operaciones, el equipo de científicos e ingenieros miraron a los astronautas conducir los experimentos a través de teleconferencia en el Centro de Soporte Telecientífico del Centro Glenn. A medida que observaban el comportamiento del fluido, ellos realizaron cambios de procedimientos en tiempo real.

"Las operaciones son la parte divertida", dice Bunnell. "Son la culminación, como cuando finalmente alcanzas el pico de la montaña que has estado escalando".

Mark Weislogel, el investigador principal, y Steven Collicott, el co-investigador, volaron a Cleveland para participar en la primera de varias operaciones. Luego observaron las operaciones restantes a través de videoconferencias en sus oficinas de la Universidad Estatal de Portland y de la Universidad de Purdue.

Weislogel (izquierda), Bunnell y Green (derecha) observan las operaciones del experimento a través de videoconferencia en el Centro de Soporte Telecientífico del Centro Glenn. Crédito: NASA.

"A través de la comunicación en vivo, hemos alcanzado la sensación de realizar los experimentos nosotros mismos", dice Weislogel. "Esta es una de los grandes avances de la Estación Espacial. Con los experimentos del transbordador, sólo tenías una oportunidad. Pero con la EEI nos hemos beneficiado del método de prueba y error; y hemos recogido muchos más datos que lo previsto".

Weislogel y Collicott revisarán las videocintas de las operaciones del experimento y pasarán los próximos 12 o 18 meses analizando los datos antes de publicar los resultados en publicaciones científicas. Hasta ahora, están satisfechos con los resultados preliminares, los cuales, dicen los científicos, podrían cambiar la forma en que los ingenieros diseñan los tanques de combustible líquido, las líneas de combustible, los goteos intravenosos, los tanques de almacenamiento criogénico, los sistemas de control térmico, los purificadores de agua y los sistemas de manejo de desperdicios para aplicaciones espaciales.

Pero eso no es todo. "Las capacidades desarrolladas gracias a los experimentos capilares nos han dado nuevas herramientas para evaluar sistemas similares en la Tierra", señala Weislogel. Él cree que los resultados de los experimentos de flujo capilar también se podrían aplicar al diseño de los pequeños sistemas de fluido en la Tierra, tales como sistemas de refrigeración en microelectrónica, celdas de combustible y procesos médicos de fluido.

En cuanto a Williams, su monarquía en el 'Reino de la Lámpara de Lava' terminó el 22 de junio, cuando volvió a casa en el Atlantis, luego de finalizar la misión STS-117. Pero, para este equipo de científicos, siempre será recordada como la Reina del CFE.

Autor: Jan Wittry (SGT, Inc.)
Traducido al español por Leonardo Montero Flores
Fuente: http://www.nasa.gov/