02/02/2022
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Desde refrescos hasta jacuzzis, las personas agregan burbujas a los líquidos por muchas razones diferentes. Los ingenieros de la ESA creen que las burbujas producidas al borde del punto de ebullición podrían ayudar a controlar la temperatura de las naves espaciales de una manera más eficiente y compacta. La incógnita principal es cómo se comportarán las burbujas en diferentes gravedades hasta la ingravidez, por lo que los investigadores abordaron aviones de vuelo parabólico para realizar pruebas.
Mantener los sistemas frescos en el espacio es un problema de ingeniería importante. Tanto la maquinaria como las personas producen calor residual mientras operan, pero de la misma manera que un termo mantiene el café caliente, el entorno espacial que lo rodea evita que este calor se disipe de la nave espacial.
La Estación Espacial Internacional (ISS), como muchas otras naves espaciales tripuladas, utiliza líquido que circula a través de tubos para absorber el calor y pasarlo a los radiadores externos, lo que se conoce como «refrigeración monofásica».
Pero los ingenieros de la ESA ahora están buscando una variación más eficiente, llamada «refrigeración de dos fases», que ya se emplea ampliamente en plantas de energía terrestres y procesos petroquímicos.
Se llama ‘bifásico’ porque emplea dos fases separadas de la materia: líquidos y gases. Contrariamente a la intuición, el líquido refrigerante se calienta al borde del punto de ebullición a medida que fluye a través de la estructura que se está enfriando. El contacto con el calor residual hace que el líquido hierva en burbujas de vapor. Este enfoque de ‘ebullición de flujo’ puede transportar el calor de manera mucho más rápida y eficiente.
Prueba de ebullición de flujo de vuelo parabólico
“La mayor eficiencia de la transferencia de calor en la ebullición promete dispositivos de sistemas de control térmico más compactos y livianos”, comenta Sebastien Vincent-Bonnieu de equipo SciSpacE de la ESA. “Sin embargo, la ebullición es un fenómeno complejo que combina transferencias de calor y masa, hidrodinámica, inestabilidades y fenómenos interfaciales.
“Además, la gravedad afecta la dinámica de los fluidos y puede dar lugar a un rendimiento impredecible de los sistemas de gestión térmica en condiciones de microgravedad. Por lo tanto, decidimos realizar experimentos directamente en entornos (casi) ingrávidos utilizando el ‘Airbus A300 de gravedad cero para vuelos parabólicos.”
Con el apoyo de la ESA y Airbus Defence and Space, el Instituto de Mecánica de Fluidos de Toulouse (IMFT), dirigido por la Prof. Catherine Colin, diseñó un pequeño circuito compacto para el estudio de la ebullición en condiciones de ingravidez, equipando un circuito con una bomba, un medidor de flujo, precalentadores, un condensador y la tubería asociada dentro del volumen estrictamente limitado disponible.
“Se planea instalar este bucle a bordo del módulo Columbus de la ISS, quizás en la nueva versión del European Drawer Rack, EDR2”, explica Balazs Toth, ingeniero de sistemas de carga útil de la ESA.
“Para validar el diseño, se ha volado una versión de prueba en las campañas de vuelo parabólico de la ESA y el CNES; la primera produce flujos burbujeantes en la Luna, Marte y gravedades terrestres, así como en microgravedad”, comenta Olaf Schoele-Schulz, Project Manager de Airbus. “El dispositivo experimental demostró ser completamente operativo, abriendo el camino para investigaciones de seguimiento en órbita”.
Las cámaras colocadas dentro del dispositivo de prueba mostraron que el flujo del líquido burbujeante no se vio perturbado, incluso cuando se movió una corta distancia río debajo desde las curvas de 90° del «codo» en el circuito.
Punto de ebullición
La ebullición en microgravedad es un tema que está siendo investigado por varios equipos europeos, que realizan diversas investigaciones experimentales, teóricas y numéricas, coordinadas a través del Programa de aplicación de microgravedad de análisis multiescala de ebullición o MAPA proyecto, supervisado por el Prof. Colin.
«Comprender y modelar el fenómeno de la ebullición requiere investigaciones complementarias a diferentes escalas: desde la escala microscópica con burbujas aisladas hasta la macroescala con flujo hirviendo en un tubo», agrega Julien Sebilleau de IMFT. “La ebullición multiescala Carga útil RUBI lanzado a la ISS en julio de 2019 y operado durante un año y medio, ha estado investigando la ebullición a escala de burbuja individual”.
“Mientras tanto, los vuelos parabólicos han permitido realizar pruebas a mayor escala, pero para ir más lejos, durante más tiempo y mejor, se requieren condiciones prolongadas de microgravedad”, agrega Sebastien. «Así que estamos ansiosos por volar nuestro experimento de ebullición de flujo a bordo de la ISS».
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