Investigadores del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia (Virginia Tech), en Estados Unidos, han realizado descubrimiento sobre las propiedades del agua en la trasferencia de calor que amplía que amplía el principio del siglo XVIII y que encierra posibilidades para los dispositivos y procesos de refrigeración en aplicaciones industriales que utilizan únicamente las propiedades básicas del agua, según publican en la revista ‘Physical Review Fluids’.
Jonathan Boreyko y su compañero de posgrado Mojtaba Edalatpour, autores del estudio han hecho así un descubrimiento sobre las propiedades del agua que podría proporcionar un emocionante complemento a un fenómeno establecido hace más de dos siglos.
El agua puede existir en tres fases: un sólido congelado, un líquido y un gas. Cuando se aplica calor a un sólido congelado, se convierte en líquido. Cuando se aplica al líquido, se convierte en vapor. Pero cuando la fuente de calor está lo suficientemente caliente, el comportamiento del agua cambia radicalmente.
Según Boreyko, una gota de agua depositada en una placa de aluminio calentada a 150 grados Celsius o más ya no hierve. En su lugar, el vapor que se forma cuando la gota se acerca a la superficie queda atrapado bajo la gota, creando un colchón que impide que el líquido entre en contacto directo con la superficie.
El vapor atrapado hace que el líquido levite, deslizándose alrededor de la superficie calentada como un disco de hockey de aire. Este fenómeno se conoce como efecto Leidenfrost, llamado así por el médico y teólogo alemán que lo describió por primera vez en una publicación de 1751.
Este principio científico comúnmente aceptado se aplica al agua como líquido, que flota sobre un lecho de vapor, pero el equipo de Boreyko se quería saber si el hielo actuaría de la misma manera.
«Hay tantos artículos sobre la levitación de los líquidos, que quisimos hacer la pregunta sobre la levitación del hielo –explica Boreyko–. Empezó como un proyecto de curiosidad. Lo que impulsó nuestra investigación fue la pregunta de si era posible tener un efecto Leidenfrost trifásico con sólido, líquido y vapor».
La curiosidad despertó la primera investigación en el laboratorio de Boreyko hace unos cinco años en forma de proyecto de investigación del entonces estudiante de grado Daniel Cusumano. Observó que, incluso cuando el aluminio se calentaba por encima de los 150 C, el hielo no levitaba sobre el vapor como lo hace el líquido.
Cusumano siguió aumentando la temperatura, observando el comportamiento del hielo a medida que aumentaba el calor. Lo que descubrió fue que el umbral para la levitación era drásticamente más alto: 550 C en lugar de 150 C. Hasta ese umbral, el agua derretida debajo del hielo seguía hirviendo en contacto directo con la superficie, en lugar de mostrar el efecto Leidenfrost.
El proyecto fue retomado por el estudiante de posgrado Mojtaba Edalatpour poco después, para resolver qué ocurría bajo el hielo para prolongar la ebullición. Edalatpour había estado trabajando con Boreyko en el desarrollo de nuevos métodos de transferencia de calor y puso esos conocimientos al servicio de este problema. La respuesta resultó ser el diferencial de temperatura en la capa de agua derretida bajo el hielo.
La capa de agua de deshielo tiene dos extremos diferentes: Su parte inferior está en ebullición, lo que fija la temperatura en unos 100º C, pero su parte superior está adherida al hielo restante, lo que la fija en unos 0º C. El modelo de Edalatpour reveló que el mantenimiento de este diferencial de temperatura extremo consume la mayor parte del calor de la superficie, lo que explica por qué la levitación era más difícil para el hielo.
«El diferencial de temperatura que el hielo crea de forma única a través de la capa de agua ha cambiado lo que ocurre en el agua misma, porque ahora la mayor parte del calor de la placa caliente tiene que atravesar el agua para mantener ese diferencial extremo –señala Boreyko–. Así que sólo una pequeña fracción de la energía puede utilizarse para producir vapor».
La elevada temperatura de 550 grados Celsius para el efecto Leidenfrost es importante. El agua en ebullición transporta el calor de forma óptima fuera del sustrato, por lo que se siente un amplio calor al salir de una olla de agua que está hirviendo, pero no de una olla de agua que está simplemente caliente. Esto significa que la dificultad para hacer levitar el hielo es en realidad algo bueno, ya que la mayor ventana de temperatura para la ebullición dará lugar a una mejor transferencia de calor en comparación con el uso de un líquido solo.
«Es mucho más difícil hacer levitar el hielo que hacer levitar la gota de agua –resume Boreyko–. La transferencia de calor cae en picado en cuanto comienza la levitación, porque cuando el líquido levita, ya no hierve. Está flotando sobre la superficie en lugar de tocarse, y el contacto es lo que hace que hierva el calor. Así que, para la transferencia de calor, la levitación es terrible. La ebullición es increíble».
Cuando el equipo exploró las posibilidades de aplicación práctica, recurrió a su trabajo actual. Como Edalatpour había investigado mucho sobre la transferencia de calor, ese tema era lógico.
La transferencia de calor se utiliza sobre todo para enfriar cosas como los servidores de los ordenadores o los motores de los coches. Requiere una sustancia o mecanismo que pueda alejar la energía de una superficie caliente, redistribuyendo el calor rápidamente para reducir el desgaste de las piezas metálicas.
En las centrales nucleares, la aplicación de hielo para inducir un enfriamiento rápido podría convertirse en una medida de emergencia fácil de aplicar en caso de corte de energía, o en una práctica habitual para el mantenimiento de las piezas de la central.
También hay aplicaciones potenciales para la metalurgia. Para producir aleaciones, es necesario apagar el calor de los metales que han sido moldeados en un estrecho margen de tiempo, haciendo que el metal sea más fuerte y menos frágil. Si se aplicara el hielo, permitiría descargar rápidamente el calor a través de las tres fases del agua, enfriando rápidamente el metal.
Boreyko también prevé un potencial de aplicaciones en la lucha contra el fuego. «Se podría imaginar tener una manguera especialmente fabricada que rociara trozos de hielo en lugar de un chorro de agua –comenta–. Esto no es ciencia ficción. He visitado una empresa aeroespacial que tiene un túnel de hielo y ya tienen esta tecnología en la que una boquilla rocía partículas de hielo en lugar de gotas de agua.
