A lo largo de los años, se han desarrollado varios modelos para describir una clase importante de efectos de mezcla, por ejemplo, en el flujo de un reactor químico. Sin embargo, la validación experimental se ha quedado atrás debido al predominio de los efectos gravitacionales. Un equipo de investigación europeo formado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y socios de la Universidad de Szeged (Hungría) y la Universidad libre de Bruselas (ULB, Bélgica) ha salvado esta brecha con experimentos realizados en condiciones de ingravidez. Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en la revista Nature. Microgravedad NPJ.
El llamado frente de difusión de reacción se produce cuando dos sustancias químicas reaccionan entre sí y se difunden al mismo tiempo. Los científicos pueden utilizar este efecto para modelar y comprender mejor problemas de química y física, así como de campos completamente diferentes, como el mundo financiero o la lingüística, porque las ecuaciones matemáticas subyacentes comparten las mismas propiedades. Se vuelve más complicado cuando los investigadores asocian estas respuestas con el flujo. Este tipo de procesos son importantes para aplicaciones tecnológicas relacionadas con procesos de combustión, geología, producción de ciertos materiales y almacenamiento de dióxido de carbono. A pesar de la multitud de aplicaciones, los componentes esenciales de estos sistemas aún no se comprenden completamente.
“Hasta ahora, los experimentos para verificar tales modelos de proceso han sido distorsionados por los efectos de flotabilidad causados por las diferencias de densidad entre las soluciones que reaccionan. Para aislar este problema, llevamos a cabo experimentos utilizando la ingravidez a bordo de un cohete. Simulaciones numéricas para demostrar la importancia de los efectos bidimensionales eso no se puede tener en cuenta en modelos unidimensionales simples”, la Dra. Karen Schwarzenberger, del Instituto de Dinámica de Fluidos de HZDR, describe el trabajo de su equipo.
Un cohete despega sobre el Círculo Polar Ártico
El experimento tuvo lugar el 1 de octubre de 2022, a bordo del cohete sonda TEXUS-57, lanzado desde el Centro Espacial Esrange, a 40 km al este de Kiruna, en Suecia. Un proyecto de colaboración entre Airbus Defence and Space, la Agencia Espacial Europea ESA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) transportó el modelo experimental del equipo Schwarzenberger a las afueras del espacio. El módulo constaba de tres reactores de diferentes tamaños con placas de vidrio colocadas una encima de otra en distinta proximidad. El cohete alcanzó una altitud de 240 km y alcanzó una ingravidez casi total durante unos seis minutos. Durante este período, los investigadores pudieron realizar sus propios experimentos, experimentos que fueron el resultado de años de planificación meticulosa. La reacción comenzó cuando se produjo la pérdida de peso. Tres cámaras de alta resolución filmaron los frentes de reacción que se extendían entre los dos líquidos que fluían. Estas imágenes fueron el foco de todos los esfuerzos del equipo: con su ayuda, los investigadores ahora pudieron distinguir un efecto de mezcla muy específico de otros fenómenos de flujo.
Física de fluidos en ingravidez.
El flujo en los canales de líquido presenta una distribución desigual de la velocidad debido a la fricción a lo largo de las paredes, lo que posteriormente afecta el transporte de sustancias disueltas y reactivos de difusión en el líquido. Este efecto de dispersión se conoce como dispersión de Taylor-Aris, en honor a los dos investigadores que sentaron las bases para comprenderlo en la década de 1950. En el pasado, los estudios teóricos propusieron modelos de diversa complejidad para describir la interacción de la difusión de Taylor-Arris y las reacciones químicas.
Sin embargo, en lo que respecta a las aplicaciones, es importante examinar las condiciones previas bajo las cuales se pueden utilizar diferentes modelos. Esto significó realizar experimentos para aislar la dispersión de Taylor-Aris de otros fenómenos de flujo. En la Tierra, la dispersión de Taylor-Aris se debe principalmente a los efectos de flotabilidad causados por la gravedad. Hasta ahora, los investigadores han intentado minimizar los efectos de los rápidos mediante el uso de reactores poco profundos, pero esto nunca ha funcionado del todo porque las alturas de los reactores y las velocidades de flujo todavía requieren un cierto límite. Hay muchos campos de aplicación que deben cubrirse. Pero cuanto mayor sea el sistema de flujo, más fuerte será la gravedad. Los investigadores ahora han logrado superar estas limitaciones en gravedad cero.
Las comparaciones con experimentos de referencia en la Tierra revelaron una reactividad significativamente menor en las alturas de los reactores en condiciones de ingravidez. Aún más importantes fueron los datos de imagen de los frentes de reacción que no fueron distorsionados por los efectos de excitación. De este modo, los socios de Bruselas pudieron replicar el desarrollo del Frente en diferentes modelos teóricos. La evaluación combinada muestra que en reactores ultrabajos de flujo lento se pueden utilizar modelos unidimensionales simples. Sin embargo, en el caso de reactores grandes o altos caudales, se requieren modelos bidimensionales que utilicen dispersión de Taylor-Arris.
Ahora se pueden utilizar correlaciones dentro de estos rangos de validez para predecir la composición del producto. Puede utilizarse para diseñar reactores innovadores, transportar partículas y fluidos en capas geológicas, pero también para abastecer estaciones espaciales, donde las condiciones de gravedad son diferentes a las de la Tierra.
