Comprender la ebullición para ayudar a la industria nuclear y las misiones espaciales

May 21, 2023

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Para lanzar misiones extendidas en el espacio, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) está tomando prestada una página de la industria de la ingeniería nuclear: está tratando de entender cómo funciona la ebullición.

La planificación de misiones a largo plazo tiene a la NASA investigando formas de empaquetar la menor cantidad posible de combustible criogénico para un despegue eficiente. Una posible solución es repostar el cohete en el espacio utilizando depósitos de combustible situados en órbitas terrestres bajas. De esta manera, la nave espacial puede transportar la carga de combustible más liviana, suficiente para alcanzar la órbita terrestre baja para reabastecerse según sea necesario y completar la misión. Pero repostar en el espacio requiere un conocimiento profundo de los combustibles criogénicos.

"[Necesitamos entender] cómo se comporta la ebullición de los criógenos en condiciones de microgravedad [encontradas en el espacio]", dice Florian Chavagnat, candidato a doctorado de sexto año en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE). Después de todo, comprender cómo hierven los criógenos en el espacio es fundamental para la estrategia de gestión de combustible de la NASA. La gran mayoría de los estudios sobre ebullición evalúan fluidos que hierven a altas temperaturas, lo que no se aplica necesariamente a los criógenos. Bajo el asesoramiento de Matteo Bucci y Emilio Baglietto, Chavagnat está trabajando en una investigación patrocinada por la NASA sobre criógenos y la forma en que la falta de flotabilidad en el espacio afecta la ebullición.

Una infancia pasada jugando

Una profunda comprensión de la ingeniería y los fenómenos físicos es exactamente lo que Chavagnat desarrolló al crecer en Boussy-Saint-Antoine, un suburbio de París, con padres que trabajaban para SNCF, la compañía ferroviaria estatal nacional. Chavagnat recuerda hablar sobre el funcionamiento de trenes y motores con su padre ingeniero y construir una variedad de modelos de madera de balsa. Uno de sus proyectos memorables fue un velero propulsado por un motor de un cepillo de dientes eléctrico.

Cuando era un adolescente, Chavagnat recibió un torno de metal como regalo. Su retoque se convirtió en una obsesión; un motor de aire comprimido era un proyecto favorito. Pronto, el pequeño cobertizo de sus padres, destinado a la jardinería, se convirtió en una fábrica, recuerda Chavagnat, riendo.

Un amor de toda la vida por las matemáticas y la física impulsó un camino hacia el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas en Rouen, Normandía, donde Chavagnat estudió energía y propulsión como parte de un programa de ingeniería de cinco años. En su último año, Chavagnat estudió ingeniería atómica en el INSTN Paris-Saclay, parte de la prestigiosa Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA).

El último año de estudios en el CEA requería una pasantía de seis meses, que tradicionalmente marca el rumbo para un trabajo. Chavagnat decidió arriesgarse y solicitar una pasantía en MIT NSE, sabiendo que su rumbo futuro podría ser incierto. "No corrí muchos riesgos en mi vida, pero este fue un gran riesgo", dice Chavagnat. La apuesta valió la pena: Chavagnat ganó la pasantía con Charles Forsberg, lo que allanó el camino para su admisión como estudiante de doctorado. "Seleccioné el MIT porque siempre ha sido la escuela de mis sueños", dice Chavagnat. También disfrutó la idea de desafiarse a sí mismo para mejorar sus habilidades para hablar inglés.

Un amor por la física y la transferencia de calor.

Chavagnat ama la física: "si puedo estudiar cualquier problema de física, sería feliz", dice, lo que lo llevó a trabajar en la transferencia de calor, más específicamente en la transferencia de calor por ebullición. Su primera investigación doctoral se centró en la ebullición transitoria en reactores nucleares, parte de la cual ha sido publicada en el International Journal of Heat and Mass Transfer.

La investigación de Chavagnat se dirige a un tipo específico de reactor nuclear llamado reactor de prueba de materiales (MTR). Los científicos nucleares usan MTR para comprender cómo los materiales utilizados en las operaciones de la planta podrían comportarse bajo un uso a largo plazo. El combustible nuclear densamente empaquetado, que funciona a alta potencia, simula efectos a largo plazo utilizando un flujo de neutrones muy intenso.

Para evitar fallas, los operadores limitan la temperatura del reactor haciendo fluir agua muy fría a alta velocidad. Cuando la potencia calorífica del reactor aumenta de manera descontrolada, el agua entubada comienza a hervir. La ebullición funciona para evitar la fusión al alterar la moderación de neutrones y extraer calor del combustible. "[Desafortunadamente], eso solo funciona hasta que alcanzas un cierto flujo de calor en el revestimiento del combustible, después de lo cual la eficiencia cae por completo", dice Chavagnat. Una vez que se alcanza el flujo de calor crítico, el vapor de agua comienza a cubrir y aislar los elementos combustibles, lo que provoca un rápido aumento de las temperaturas del revestimiento y un posible agotamiento.

La clave es averiguar el comportamiento del flujo de calor de ebullición máximo en condiciones MTR de rutina: agua fría, alta velocidad de flujo y espacio estrecho entre los elementos combustibles.

Estudio de ebullición criogénica

La ebullición continúa ocupando el centro del escenario mientras Chavagnat responde a la pregunta de la NASA. Los criógenos hierven a temperaturas muy bajas, por lo que es importante responder a la pregunta de cómo evitar la pérdida de combustible de las operaciones espaciales de rutina.

Chavagnat está estudiando cómo se comportaría la ebullición en condiciones de flotabilidad reducida o ausente, que son las condiciones que encontrará el combustible para cohetes criogénicos en el espacio.

Para reproducir condiciones similares a las del espacio en la Tierra, la flotabilidad se puede modificar sin ir al espacio. Chavagnat está manipulando la inclinación de la superficie de ebullición, colocándola boca abajo es un ejemplo, de modo que la flotabilidad no hace lo que suele hacer: ayudar a que las burbujas se separen de la superficie. También está realizando experimentos de ebullición en vuelos parabólicos para simular la microgravedad, similar a lo que se experimenta a bordo de la Estación Espacial Internacional.

Chavagnat diseñó y construyó equipos que pueden realizar ambos métodos con cambios mínimos. "Observamos el nitrógeno hirviendo en nuestra superficie mediante imágenes usando dos cámaras de video de alta velocidad", dice. El experimento fue aprobado para ir a bordo de los vuelos parabólicos operados por Zero-G, una empresa que opera vuelos ingrávidos. El equipo completó con éxito cuatro vuelos parabólicos en 2022.

"Volar un experimento a bordo de un avión y operarlo en microgravedad es una experiencia increíble, pero es un desafío", dice Chavagnat, "Conocer los detalles del experimento es imprescindible, pero otras habilidades son muy útiles, en particular, trabajar en equipo, ser capaz de manejar altos niveles de estrés y poder trabajar mientras se marea". Otro desafío es que la mayoría de los problemas no se pueden solucionar una vez a bordo, ya que los pilotos de aeronaves realizan la parábola (cada una de 17 segundos de duración) casi consecutivamente.

A lo largo de su investigación en el MIT, Chavagnat ha quedado cautivado por lo complejo que puede ser realmente un fenómeno simple como la ebullición. "En tu infancia, tienes una cierta idea de cómo se ve la ebullición, burbujas relativamente lentas que puedes ver a simple vista", dice, "pero no te das cuenta de la complejidad hasta que lo ves con tus propios ojos".

En su poco tiempo libre, Chavagnat juega fútbol con el equipo de la NSE, los Atom Smashers. El grupo se reúne solo cinco veces por semestre, por lo que es un compromiso discreto, dice Chavagnat, quien pasa la mayor parte de su tiempo en el laboratorio. "Estoy haciendo principalmente experimentos en el MIT; resulta que las habilidades que aprendí en mi cobertizo cuando tenía 15 años son bastante útiles aquí", se ríe.

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