Investigación de flujos en las afueras del espacio
Experimentos en ingravidez aíslan el clásico fenómeno de difusión
Durante años se han desarrollado diversos modelos para describir una importante clase de efectos de mezcla que se producen, por ejemplo, en el flujo de un reactor químico. Sin embargo, la validación experimental ha quedado muy rezagada debido a la superposición de efectos gravitatorios. Un equipo europeo de investigación en el que participan el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y socios de la Universidad de Szeged (Hungría) y la Université libre de Bruxelles (ULB, Bélgica) ha colmado ahora esta laguna con experimentos realizados en condiciones de ingravidez. Los investigadores acaban de publicar sus resultados en la revista Nature npj Microgravity.
Los llamados frentes de reacción-difusión se producen cuando dos sustancias químicas reaccionan entre sí y al mismo tiempo se dispersan. Los científicos pueden utilizar este efecto para modelizar y comprender mejor problemas de química y física, así como de ámbitos completamente distintos como el mundo financiero o la lingüística, ya que las ecuaciones matemáticas subyacentes tienen las mismas características. La cosa se complica cuando los investigadores combinan estas reacciones con flujos. Los procesos de este tipo son importantes para aplicaciones tecnológicas relacionadas con los procesos de combustión, la geología, la producción de materiales específicos y el almacenamiento de dióxido de carbono. A pesar de la plétora de aplicaciones, las partes esenciales de estos sistemas aún no se comprenden del todo.
"Hasta ahora, los experimentos para verificar los modelos de tales procesos se han visto distorsionados por los efectos de flotabilidad causados por las diferencias de densidad entre las soluciones de reacción. Para aislar este problema, realizamos experimentos en condiciones de ingravidez a bordo de un cohete sonda. Nuestros socios realizaron simulaciones numéricas paralelas para demostrar la importancia de los efectos bidimensionales que no pueden tenerse en cuenta en los modelos unidimensionales simples", explica la Dra. Karin Schwarzenberger, del Instituto de Dinámica de Fluidos del HZDR, resumiendo el trabajo de su equipo.
Despegue de un cohete en el Círculo Polar Ártico
El experimento tuvo lugar el 1 de octubre de 2022, a bordo del cohete de sondeo TEXUS-57 que se lanzó desde el Centro Espacial de Esrange, a 40 kilómetros al este de Kiruna (Suecia). El proyecto de colaboración en el que participan Airbus Defense & Space, la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) transportó, entre otras cosas, el modelo experimental del equipo de Schwarzenberger a las afueras del espacio. El módulo contaba con tres reactores de diferentes tamaños formados por placas de vidrio apiladas unas sobre otras a distinta proximidad. El cohete alcanzó una altura de 240 kilómetros, logrando un estado de ingravidez casi total durante casi seis minutos. Durante este periodo, los investigadores pudieron ejecutar automáticamente sus experimentos, fruto de varios años de meticulosa planificación. La reacción se desencadenó cuando se alcanzó el estado de ingravidez. Tres cámaras de alta resolución filmaron los frentes de reacción que se extendían entre dos líquidos que fluían. Estas imágenes fueron el centro de todos los esfuerzos del equipo: con su ayuda, los investigadores pueden ahora separar un efecto de mezcla muy específico de otros fenómenos de flujo.
Física del flujo en ingravidez
Los flujos en canales de líquidos presentan una distribución desigual de la velocidad debido a la fricción con las paredes, lo que influye posteriormente en el transporte de sustancias disueltas y en la difusión de reactivos en el líquido. Este efecto de difusión se conoce como dispersión de Taylor-Aris, llamada así por los dos investigadores que sentaron las bases para entenderla allá por los años cincuenta. En el pasado, los estudios teóricos propusieron modelos de diversa complejidad para describir la interacción de la dispersión de Taylor-Aris y las reacciones químicas.
Sin embargo, en lo que respecta a las aplicaciones, es importante evaluar las condiciones previas en las que pueden utilizarse los distintos modelos. Para ello es necesario realizar experimentos que permitan aislar la dispersión de Taylor-Aris de otros fenómenos de flujo. En la Tierra, la dispersión de Taylor-Aris se superpone esencialmente a los efectos de flotabilidad causados por la gravedad. Hasta ahora, los investigadores habían intentado minimizar los efectos de flotabilidad utilizando reactores poco profundos, pero nunca funcionó del todo porque aún había que cubrir un cierto rango de alturas de reactor y velocidades de flujo para abarcar muchos campos de aplicación. Pero cuanto mayor es el sistema de flujo, más fuerte es la gravedad. Ahora, los investigadores han podido superar estas limitaciones en gravedad cero.
Una comparación con los experimentos de referencia en tierra reveló que se generaba mucho menos producto de reacción a mayores alturas del reactor en condiciones de ingravidez. Aún más importantes fueron los datos de imagen de los frentes de reacción, que no estaban distorsionados por los efectos de la flotabilidad. Los socios de Bruselas pudieron así reproducir el desarrollo del frente en varios modelos teóricos. La evaluación conjunta mostró que en reactores muy poco profundos con flujo lento pueden utilizarse modelos unidimensionales sencillos. Sin embargo, en el caso de reactores más grandes o de flujo más rápido, se requieren modelos bidimensionales que utilicen la dispersión de Taylor-Aris.
Dentro de estos márgenes de validez, las correlaciones correspondientes pueden emplearse ahora para predecir la formación de productos. Esto puede utilizarse para diseñar reactores innovadores, para la síntesis dirigida de partículas y el transporte de fluidos en capas geológicas, pero también para abastecer estaciones espaciales, donde las condiciones gravitatorias difieren de las de la Tierra.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Yorgos Stergiou, Darío M. Escala, Paszkál Papp, Dezső Horváth, Marcus J. B. Hauser, Fabian Brau, Anne De Wit, Ágota Tóth, Kerstin Eckert, Karin Schwarzenberger; "Unraveling dispersion and buoyancy dynamics around radial A + B → C reaction fronts: microgravity experiments and numerical simulations"; npj Microgravity, Volume 10, 2024-5-9
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