Avance escalofriante: la ciencia detrás de una realidad

Por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia 2 de agosto de 2023

El profesor Patrick Hopkins de la Universidad de Virginia está desarrollando un dispositivo de rayos congelados para enfriar los componentes electrónicos de naves espaciales y aviones a gran altitud. La tecnología se basa en plasma, que sorprendentemente enfría las superficies antes de calentarlas. Con una subvención de 750.000 dólares de la Fuerza Aérea de EE. UU., el equipo está explorando formas de amplificar y prolongar este efecto refrescante. (Concepto del artista).

Un profesor de la Universidad de Virginia cree haber descubierto cómo crear un dispositivo de rayos congelados, inspirado en el villano de Batman, Mr. Freeze. En lugar de ser un arma, este dispositivo está destinado a enfriar los componentes electrónicos de las naves espaciales y los aviones a gran altitud.

¿Conoces esa pistola de rayos congelantes que el villano de “Batman”, el Sr. Freeze, usa para “congelar” a sus enemigos? Un profesor de la Universidad de Virginia cree haber descubierto cómo hacer uno en la vida real.

The discovery – surprisingly based on heat-generating plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> plasma, sin embargo, no está destinado a armamento. El profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial Patrick Hopkins quiere crear refrigeración de superficie bajo demanda para la electrónica dentro de naves espaciales y aviones a gran altitud.

"Ese es el principal problema en este momento", dijo Hopkins. "Muchos componentes electrónicos a bordo se calientan, pero no tienen forma de enfriarse".

A la Fuerza Aérea de EE.UU. le gusta tanto la perspectiva de un rayo congelado que ha concedido al laboratorio ExSiTE (Experimentos y simulaciones en ingeniería térmica) del profesor 750.000 dólares 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 prototipo de dispositivo.

El profesor explicó que, en la Tierra (o en el aire más cercano a ella), la electrónica de las naves militares a menudo puede enfriarse de forma natural. La Armada, por ejemplo, utiliza agua del océano como parte de sus sistemas de refrigeración líquida. Y más cerca del suelo, el aire es lo suficientemente denso como para ayudar a mantener fríos los componentes de la aeronave.

Los candidatos al doctorado Sara Makarem Hoseini y Daniel Hirt observan la configuración de los rayos de plasma. Aunque Hirt usa un gorro de punto y una chaqueta acolchada para darle efecto, el enfriamiento es localizado y no tiene mucha influencia en la temperatura ambiente circundante. Crédito: Tom Cogill

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 enfriar", dijo. “Entonces, lo que sucede es que sus dispositivos electrónicos se calientan cada vez más y más. Y no se puede llevar una carga útil de refrigerante a bordo porque eso aumentará el peso y se perderá eficiencia”.

Hopkins cree que está encaminado hacia una solución ligera. Él y sus colaboradores publicaron recientemente un artículo de revisión sobre esta y otras perspectivas de la tecnología en la revista ACS Nano.

La materia que encontramos todos los días existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Pero hay un cuarto estado: el plasma. Si bien puede parecernos relativamente raro en la Tierra, el plasma es la forma más común de materia en el universo. De hecho, es de lo que están hechas las estrellas.

Plasmas can occur when gas is energized, Hopkins said. That powers their unique properties, which vary based on the type of gas and other conditions. But what unites all plasma is an initial chemical reaction that untethers electrons from their nuclear orbits and releases a flow of photons, ions and electrons, among other energetic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">especies.

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

Aunque los televisores con pantalla de plasma alguna vez existieron y luego desaparecieron gradualmente, no se deje engañar. El plasma se utiliza cada vez más en tecnología. Ya se utiliza en los motores de muchos de los aviones más rápidos de la Fuerza Aérea. El plasma favorece la combustión, mejorando la velocidad y la eficiencia.

El chorro de plasma de este ejemplo está hecho de helio, lo que crea un brillo violeta. El laboratorio también experimentará con otros gases para identificar cuál es ideal para enfriar. Crédito: Tom Cogill

Sin embargo, Hopkins también utiliza plasma de imágenes 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 desde la electrónica hacia los radiadores, que lo liberan. Sin embargo, para la electrónica avanzada esto no siempre es 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 y cercano que ataca los puntos calientes.

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

Un dato interesante: el plasma puede alcanzar temperaturas tan altas como la superficie del sol. Pero también parece tener esta extraña característica, 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 Armada de EE. UU., hicieron el descubrimiento inesperado hace varios años, justo antes de que estallara la pandemia.

"En lo que me especializo es en realizar 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 violeta 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 en el lugar donde impactó el plasma y luego pudimos ver cómo cambiaba la superficie. Vimos que la superficie se enfriaba primero y luego se calentaba.

“En cierto nivel estábamos desconcertados sobre por qué estaba sucediendo esto, porque seguía sucediendo una y otra vez. Y no teníamos información de la que extraer porque ninguna literatura anterior había podido medir el cambio de temperatura con la precisión que tenemos. Nadie ha podido hacerlo tan rápido”.

Lo que finalmente determinaron, en asociación con el entonces investigador doctoral de la UVA, John Tomko, y continuaron con las pruebas en 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 se enfría".

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

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 destruiría cualquier medidor de temperatura que estuviera en contacto directo.

Entonces, ¿qué tan frío es el frío? Determinaron que podían reducir la temperatura en varios grados y durante unos microsegundos. Si bien esto puede no parecer dramático, es suficiente para marcar la diferencia en algunos dispositivos electrónicos.

Después del retraso de la pandemia, Hopkins y sus colaboradores publicaron sus hallazgos iniciales en Nature Communications el año pasado.

Entonces la pregunta fue: ¿Podrían lograr una reacción más fría y durar más?

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

El equipo está estudiando cómo las variaciones de su diseño original podrían mejorar el aparato. Los estudiantes de doctorado Sara Makarem Hoseini y Daniel Hirt están considerando gases, metales y revestimientos de superficies a los que puede dirigirse el plasma.

Hirt proporcionó una actualización del laboratorio.

“We haven’t really explored the use of different gasses yet, as we’re still working with helium,” he said. “We have experimented so far with different metals, such as gold and copper, and semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconductores, y cada material ofrece su propio campo de juego para investigar cómo interactúa el plasma con sus diferentes propiedades.

"Dado que el plasma está compuesto de una variedad de partículas diferentes, cambiar el tipo de gas utilizado nos permitirá ver cómo cada una de estas partículas impacta 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.

“Siento que es el día y la noche comparando no sólo dónde estaba como científico, sino también mi disfrute de la ciencia, con dónde estoy hoy”, dijo.

Referencia: “Mecanismos de transducción de energía ultrarrápida y a nanoescala y transporte térmico acoplado a través de interfaces” por Ashutosh Giri, Scott G. Walton, John Tomko, Niraj Bhatt, Michael J. Johnson, David R. Boris, Guanyu Lu, Joshua D. Caldwell, Oleg V. Prezhdo y Patrick E. Hopkins, 17 de julio de 2023, ACS Nano.DOI: 10.1021/acsnano.3c02417

Financiamiento: Fuerza Aérea de EE. UU.