Resumen: Para poder explorar profundamente nuestro sistema solar, algún día se podrán extraer las máximas eficiencias de las ondas sonoras. Los científicos de Los Álamos tienen delineados los planos de un motor que efectuará una gran explosión que accionará un mecanismo sin pistones.





Con base en un informe de LANL

Prototipo de una nave espacial JIMO de combustible nuclear, donde se aprecia su forma compuesta de gran cantidad de aletas. “Con la potencia disponible de los reactores nucleares por fisión o por fusión, se pueden alcanzar velocidades del orden de 100 kilómetros (60 millas) por segundo que permiten viajar a cualquier lugar del sistema solar en un viaje de unos cuantos años de duración, quizás menos. Pero en realidad se quisiera viajar a una velocidad que sea la mitad de la velocidad de la luz que es decenas de miles de kilómetros por segundo y la cantidad de energía necesaria es mucho mayor, y ni la fisión ni la fusión pueden suministrar tal cantidad de energía”. —Freeman Dyson Crédito de la Imagen: NASA/JPL

Un científico de la Universidad de California que trabaja en el Laboratorio Nacional de los Álamos, e investigadores de Tecnología Espacial de Northrop Grumman, han desarrollado un método novedoso para generar energía eléctrica y poder viajar al espacio exterior utilizando ondas sonoras. El generador eléctrico termo-acústico tiene el potencial de generar energía en las sondas espaciales para que puedan alcanzar los confines del universo.

En una investigación publicada en un número reciente del periódico Applied Physics Letters, el científico de laboratorio Scott Backhaus y sus colegas del Northrop Grumman, Emanuel Tward y Mike Petach, describen el diseño de un sistema termo-acústico para la generación de electricidad a bordo de una nave espacial. El sistema de motor de ondas de propagación/alternador lineal, es similar a los generadores termoeléctricos actuales debido a que utiliza el calor de la desintegración del combustible radioactivo para generar electricidad, pero con una eficiencia que es mayor del doble.

El nuevo diseño es una mejora de los dispositivos termoeléctricos actuales, utilizados para la generación de electricidad a bordo de naves espaciales. Estos dispositivos convierten solamente el 7 % de la energía de la fuente de calor en electricidad. El motor de ondas de propagación convierte el 18 % de la energía de la fuente de calor en electricidad. Debido a que la única parte móvil en el dispositivo, fuera del mismo gas helio, es un pistón a temperatura ambiente, el dispositivo posee la alta confiabilidad requerida para las sondas espaciales en el espacio exterior.

El motor de ondas de propagación es una adaptación moderna del invento termodinámico del siglo XIX de Robert Stirling — el motor Stirling — que es similar a un motor de vapor, pero que utiliza aire caliente en lugar de vapor para accionar un pistón. En lugar del vapor a alta presión, se aprovechó la diferencia de temperatura que accionó su motor con una eficiencia impresionante. El invento de Stirling fue novedoso porque no utilizaba una caldera que potencialmente puede explotar, y en su lugar, utilizaba la expansión cíclica de gas generada por un intercambiador de calor. Lo que Stirling llamó un “economizador” era un sólido poroso que almacenaba una cantidad de calor entre los ciclos para que pudiera ser devuelto al gas durante su fase de calentamiento.

El motor de ondas de propagación funciona enviando gas helio a través de una serie de discos de malla de alambre en acero inoxidable 322, llamado un regenerador (semejante al economizador poroso de Stirling). El regenerador se conecta a una fuente de calor y a un disipador de calor que causa que el helio se expanda y se contraiga. Esta expansión y contracción genera ondas sonoras poderosas, de la misma forma que un rayo en la atmósfera causa la expansión térmica que produce el trueno. Estas ondas oscilantes sonoras en el motor de ondas de propagación, accionan el pistón de un alternador lineal que genera electricidad.

Backhaus le dijo a la revista American Scientist que “Enfrentados a tales pérdidas por la eficiencia, como aquella causada por la resistencia de los cables en líneas de transmisión eléctrica, hace tiempo, los ingenieros encontraron una solución fácil: Aumentar el voltaje y disminuir la corriente para que su producto (que es igual a la potencia transferida) permanezca constante. Entonces nos dimos cuenta que si aumentábamos a grandes valores la presión oscilatoria y disminuíamos la velocidad de flujo a valores muy pequeños, de tal forma que preserváramos su producto, podríamos aumentar la eficiencia del regenerador sin reducir la potencia que podría producir”.

Principio del motor de ondas de propagación. Crédito de la Imagen: LANL

El uso de ondas de propagación permite que las partes típicas de un motor, como el cigüeñal y los pistones, sean sustituidas por la acción creada por las ondas (un diseño algunas veces llamado el “motor sin pistones de Stirling”). Las ondas estacionarias de sonido mueven el helio hacia delante y hacia atrás. Backhaus anotó que “El dispositivo que se necesitaba tenía que reproducir algunos de los atributos de una onda estacionaria (alta presión y baja velocidad de flujo) y a la vez tener algunos de los atributos de la onda de propagación (la presión tenía que subir y bajar en fase con la velocidad, no con el desplazamiento)”. Si nos imaginamos soplando un tubo lleno de helio, el resultado puede tener las mismas características de un altavoz con alto volumen, pero en este caso resonando en una sola frecuencia principal y extrayendo calor de cada oscilación.

Backhaus concluyó: “En el año 2099, la Academia Nacional de Ingeniería probablemente convocará de nuevo a un grupo de expertos para seleccionar los logros tecnológicos más sobresalientes del siglo XXI. Esperamos que nuestros nietos que nacerán en el futuro, vean que esa lista incluye los dispositivos termo-acústicos, que prometen mejorar la calidad de vida de cada persona mientras que ayudan a proteger el medio ambiente. Nosotros y un grupo reducido de físicos e ingenieros interesados, hemos estado trabajando duro durante las dos décadas pasadas para que los motores y refrigeradores acústicos hagan parte de ese futuro. Los últimos logros son ciertamente alentadores, pero todavía falta mucho por hacer”.

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Scott Backhaus obtuvo su doctorado en física en la Universidad de California, en Berkeley en 1997. Es actualmente Miembro Académico Reines en el Laboratorio Nacional en Los Álamos.