Desarrollan una pistola de rayos congeladores

¿Conoces esa que el villano de “Batman”, Mr. Freeze, usa para “congelar” a sus enemigos? Un profesor cree que puede haber descubierto cómo hacer una en la vida real.

Sin embargo, el descubrimiento, que, inesperadamente, se basa en plasma generador de calor, no está destinado a armamento.

El profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial Patrick Hopkins quiere crear enfriamiento de superficie bajo demanda para la electrónica dentro de naves espaciales y aviones a gran altura.

“Ese es el problema principal en este momento”, dijo Hopkins.

“Muchos componentes electrónicos a bordo se calientan, pero no tienen forma de enfriarse”.

A la Fuerza Aérea de los EE. UU. le gusta tanto la perspectiva de un rayo congelador que ha otorgado al laboratorio ExSiTE (Experimentos y Simulaciones en Ingeniería Térmica) del profesor US$ 750,000 durante tres años para estudiar cómo maximizar la tecnología.

A partir de ahí, el laboratorio se asociará con la empresa derivada de UVA de Hopkins, Laser Thermal, para la fabricación de un dispositivo prototipo.

El profesor explicó que, en la Tierra, o en el aire más cercano, los componentes electrónicos de las naves militares a menudo pueden enfriarse por naturaleza.

La Marina, por ejemplo, utiliza el agua del océano como parte de sus sistemas de refrigeración líquida.

Y más cerca del suelo, el aire es lo suficientemente denso para ayudar a mantener fríos los componentes de la aeronave.

Sin embargo, “con la Fuerza Aérea y la Fuerza Espacial, estás en el espacio, que es un vacío, o estás en la atmósfera superior, donde hay muy poco aire que pueda enfriarse”, dijo.

“Entonces, lo que sucede es que sus dispositivos electrónicos se calientan cada vez más y más.

Y no puede llevar una carga útil de refrigerante a bordo porque eso aumentará el peso y perderá eficiencia”.

Hopkins cree que va por buen camino hacia una solución ligera.

La materia que encontramos todos los días existe en tres estados: sólido, líquido y gas.

Pero hay un cuarto estado: el plasma.

Si bien puede parecernos relativamente raro en la Tierra, el plasma es la forma de materia más común en el universo.

De hecho, es de lo que están hechas las estrellas.

Los plasmas pueden ocurrir cuando se activa el gas, dijo Hopkins.

Eso impulsa sus propiedades únicas, que varían según el tipo de gas y otras condiciones.

Pero lo que une a todo plasma es una reacción química inicial que libera electrones de sus órbitas nucleares y libera un flujo de fotones, iones y electrones, entre otras especies energéticas.

Los resultados sorprendentes se pueden ver en el destello repentino de un rayo, por ejemplo, o en el cálido resplandor de un letrero de neón.

Aunque los televisores de pantalla de plasma alguna vez existieron y luego se fueron eliminando, no dejes que eso te engañe.

El plasma se utiliza cada vez más en la tecnología. Ya se utiliza en los motores de muchos de los jets más rápidos de la Fuerza Aérea. El plasma ayuda a la combustión, mejorando la velocidad y la eficiencia.

Pero Hopkins imagina que el plasma también se usa en el interior de la nave.

La solución típica para la electrónica del aire y el espacio ha sido una placa fría, que conduce el calor lejos de la electrónica hacia los radiadores, que lo liberan.

Sin embargo, para la electrónica avanzada, eso puede no ser siempre suficiente.

Hopkins cree que la configuración revisada puede ser algo así como un brazo robótico que se desplaza en respuesta a los cambios de temperatura, con un electrodo corto de primer plano que elimina los puntos calientes.

“Este chorro de plasma es como un rayo láser; es como un rayo”, dijo Hopkins. “Puede ser extremadamente localizado”.

El plasma puede alcanzar temperaturas tan calientes como la superficie del sol.

Pero también parece tener esta extraña característica, una que parecería violar la segunda ley de la termodinámica. Cuando golpea una superficie, en realidad se enfría antes de calentarse.

Hopkins y su colaborador, Scott Walton, del Laboratorio de Investigación de la Marina de los EE. UU., hicieron el inesperado descubrimiento hace varios años, justo antes de que llegara la pandemia.

“En lo que me especializo es en hacer mediciones de temperatura muy, muy rápidas y muy, muy pequeñas”, dijo Hopkins sobre sus instrumentos microscópicos hechos a medida, que pueden registrar registros de calor especializados.

En su experimento, dispararon un chorro de plasma púrpura generado a partir de helio a través de una aguja hueca revestida de cerámica.

El objetivo era una superficie chapada en oro.

Los investigadores eligieron el oro porque es inerte y, en la medida de lo posible, querían evitar el grabado de la superficie por el haz enfocado, lo que podría sesgar los resultados.

“Entonces, cuando encendimos el plasma”, dijo Hopkins, “podíamos medir la temperatura inmediatamente donde el plasma golpeó, luego pudimos ver cómo cambió la superficie.

Primero vimos que la superficie se enfriaba y luego se calentaba.

“Estábamos desconcertados en algún nivel sobre por qué estaba sucediendo esto, porque seguía sucediendo una y otra vez.

Y no había información de la que pudiéramos extraer porque ninguna literatura anterior ha sido capaz de medir el cambio de temperatura con la precisión que tenemos. Nadie ha sido capaz de hacerlo tan rápido”.

Lo que finalmente determinaron, en asociación con el entonces investigador doctoral de la UVA John Tomko y las pruebas continuas con el laboratorio de la Marina, fue que el enfriamiento de la superficie debe haber sido el resultado de la explosión de una capa superficial ultrafina y difícil de ver, compuesta de carbono y moléculas de agua.

Un proceso similar ocurre cuando el agua fría se evapora de nuestra piel después de nadar.

“La evaporación de las moléculas de agua en el cuerpo requiere energía; le quita energía al cuerpo, y por eso sientes frío”, dijo el profesor.

“En este caso, el plasma arranca las especies absorbidas, se libera energía y eso es lo que enfría”.

Los microscopios de Hopkins funcionan mediante un proceso llamado termometría óptica resuelta en el tiempo y miden algo llamado termorreflectancia.

Básicamente, cuando el material de la superficie está más caliente, refleja la luz de manera diferente que cuando está más frío.

El alcance especializado es necesario porque, de lo contrario, el plasma eliminaría cualquier indicador de temperatura que se toque directamente.

Entonces, ¿qué tan frío es el frío? Determinaron que podían reducir la temperatura varios grados y durante unos microsegundos.

Si bien eso puede no parecer dramático, es suficiente para marcar la diferencia en algunos dispositivos electrónicos.

Entonces la pregunta se convirtió en: ¿Podrían obtener una reacción más fría y duradera?

Trabajando anteriormente con el equipo prestado de la Marina, tan liviano y seguro que a menudo se usaba para demostraciones escolares, el laboratorio UVA ahora tiene su propia configuración, gracias a la subvención de la Fuerza Aérea.

El equipo está analizando cómo las variaciones de su diseño original podrían mejorar el aparato.

Los candidatos a doctorado Sara Makarem Hoseini y Daniel Hirt están considerando gases, metales y recubrimientos superficiales a los que puede apuntar el plasma.

Hirt proporcionó una actualización de laboratorio.

“Todavía no hemos explorado realmente el uso de diferentes gases, ya que todavía estamos trabajando con helio”, dijo.

“Hasta ahora hemos experimentado con diferentes metales, como oro y cobre, y semiconductores, y cada material ofrece su propio terreno de juego para investigar cómo interactúa el plasma con sus diferentes propiedades.

“Dado que el plasma se compone de una variedad de partículas diferentes, cambiar el tipo de gas utilizado nos permitirá ver cómo cada una de estas partículas afecta las propiedades del material”.

Hirt dijo que trabajar con Hopkins en un proyecto con implicaciones tan significativas ha rejuvenecido su interés en la investigación, en gran parte debido al entorno de laboratorio de apoyo que fomenta el profesor.

Fuente: Rexmolon