La conservación del refrigerante para satélites
infrarrojos en el espacio es posible gracias a la invención de
Sir James Dewar,
que contruyó el termo en 1892. El termo, como
sabemos de nuestra experiencia en la vida diaria, es un
recipiente para
evitar la transferencia de calor y mantiene un elemento a temperaturas
frias.
Mientras que un sistema mecánico para refrigeracion es muy
ineficiente, puesto que utiliza energia de la red
electrica para extraer calor de la neveram, un sistema
pasivo tiene la ventaja que regula el calentamiento inexorable del
sistema de una forma
controlado y lenta. Ese sistema es el termo. Este elimina la
posibilidad de
transferencia de calor por conduccion, creando un recipiente enquistado
en otro, donde las paredes que los separan contienen un vacio. Por
supuesto, existe una transferencia de calor, pero esta es muy
lenta.
Ya hemos indicado la utilidad del helio como refrigerante en el
espacio. Este elemento es el segundo en orden en la tabla
periódica (tiene dos protones y dos electrones) y tambien es el
segundo elemento mas abundante del universo, despues del
hidrógeno. Se encontro indicios de su existencia en el espectro
de la
corona solar en 1868 por Pierre
Jannsen, y se lo llamo helio
pensando que era un elemento no existente en la Tierra. En 1895 pudo
ser aislado en la Tierra. Con la llegada de la teorica cuantica se
puedo explicar el origen de las líneas espectrales, y las
misteriosas líneas desconocidas resultaron ser las de un
elemento con
otro proton mas.
El helio es inerte, es decir que es un gas noble, inerte, que no se
combina en general con otros
elementos o compuestos, y tiene una ilustre historia en la
exploración del Universo por la astronomía. El helio es
ubicuo en el espacio, adoptando
diferentes formas según el lugar del unverso en que se
encuentre. Era
demasiado liviano para retenerlo la atmósfera terrestre,
escapándose al espacio en las primeras épocas de la
formación de la Tierra,
de manera similar a como la Luna perdio su atmosfera inicial. Los
planetas mas masivos como Júpiter pudieron retenerlo, y la
tremenda
fuerza de gravedad en el centro de Jupiter lo mantiene como helio
liquido, a presiones de millones de atmósferas. En las galaxias
mas
lejanas, los astrónomos lo utilizan como uno de los indicadores
de las
abundancias de los diferentes elementos, y como trazador de las
condiciones del universo primordial.
En el estado gaseoso es mas liviano que el aire. Eso lo hace extremadamente útil para el llenado de globos. Pero tiene un defecto que puede ser fatal, al ser altamente inflamable. La demostración mas palpable de su peligrosidad fue cuando el dirigible Heidenburg se comsumió en llamas en un atracadero de Nueva Jersey en 1919, de alguna manera señalando el final de la era de los dirigibles.
Ajustando las condiciones de presión es posible
transformarlo en un líquido a menos de -200 C, superando
en temperatura a otros refrigerantes tradicionales en
los laboratorios, como el nitrógeno líquido.
El helio puede alcanzar temperaturas de unos pocos Kelvin.
Cambiando
las condiciones de presión se pueden alcanzar temperaturas
menores. Cuando la presión alcanza a altas atmósferas,
los efectos
cuánticos empiezan a jugar. Por
procesos de magnetizacion y desmagnetización se puden llegar a
temperaturas del orden de cien milésimas de Kelvin.
Si se baja la temperatura del gas hasta 5.2 K, se transforma
en helio líquido (HeI), un liquido como otro cualquiera. Pero si
continuamos disminuyendo la temperatura manteniendo una presión
moderada llegamos
a un
punto donde se produce una transición a otro tipo de
líquido, alrededor
de 2.17 K a bajas presiones. Este es el HeII, el llamado "helio
superfluido".
En la transición al estado superfluido ocurren hechos
peculiares: la
constante dielectrica experimenta un cambio abrupto, ocurre una
discontinuidad en el coeficiente de expansion termica, y el calor
especifico a volumen constante del helio tiene una sigularidad a
2.19 K. Este es el punto conocido como "lambda".
El HeII tiene propiedades extrañas. Una de ellas es la
capacidad que tiene de fluir a traves de pasajes microscopicos sin
friccion aparente. El efecto conocido como "efecto fuente" (fountain
effect) es el producido cuando existe un flujo de HeI entre dos zonas
de diferente presion, desde alta a baja presion.
Lo que es soprendente
es que la region con baja presion se enfria. Esto se explica por el
modelo de "dos-fluidos" por el cual el HeII se describe como un
superfluido de viscosidad cero junto con un fluido normal. La relacion
entre el superfluido a el total se aproxima a uno cuando la temperatura
se acerca el cero absoluto.
En el estado de superfluidez presenta resistencia cero al flujo. Ese fenomeno fue descubierto en 1937 por Peter Kapitza. En ese estado, el HeII puede formar peliculas delgadas de un espesor de no mas de 100 atomos. Su conductividad llega a 3.000.000 de veces la del HeI, y fluye de las regiones frías a calientes. Estas propiedades del HeII fueron observadas en los años treinta. Se descubrió entonces que el helio podia pasar por lugares que no podian ser atravesados por el helio liquido o gaseoso, comportándose como si no tuviera viscosidad.
El modelo para explicar las propiedades el HeII es el modelo de Landau de los dos fluidos, donde se representa al líquido formado de una mezcla de dos componentes, una de las cuales se comporta siguiendo las leyes de la hidrodinamica mientras que la segunda en una componente superfluida, libre de entropia y sin friccion.
Aunque se supieran las propiedades del helio superfluido, existen
problemas que debieron solucionarse antes de poder usarse como
refrigerante en un recipiente termico en el espacio. Por ejemplo, se
debio solucionar la cuestion tecnologica de como contener el helio de
manera tal
que se escapara el vapor a medida que se evaporara mientras que el
liquido estuviera contenido dentro del recipiente. O bien donde se
encontraria el liquido una vez que estuviera en una situacion de
microgravedad.
Dado que el helio superfluido se encuentra frio sirve como excelente refrigerante para enfriar instrumentos. En los años setenta la NASA realizo experimentos para utilizar el helio en el espacio como refrigerante.
El problema de contener el helio no es trivial. El helio esta manteniendo frios que estan disipando calor. Por lo tanto, debe evaporarse para llevarse el calor generado por esos elementos. Por lo tanto, uno tiene el helio en un recipiente como un termo, pero debe permitir el vapor que se escape a fin de continuar el enfriamiento de los instrumentos. En el espacio la mayor preocupación es evitar que el helio se filtre hacia el espacio exterior, teniendo en cuenta que por su condicion de superfluido puede atravesar la menor filtracion en el sistema.
El Dr. William Fairbank y colegas de la Universidad de
Stanford propuso una idea ingeniosa. Primero, el hecho de el helio es
superfluido, y pasa por zonas donde no pasaria un liquido normal o un
gas. La idea era poner un tapon poroso en la tuberia de ventilacion del
termo, que
permite al helio a fluir fuera del contenedor puesto que la presion en
el dewar aumenta cuando el liquido comienza a evaporarse.
Cuando el
helio alcanza la parte exterior del tapon se evapora en el espacio y
enfria la parte exterior del tapon que pasa a ponerse mas fria que el
interior del dewar. Ahora viene una de las cosas extrañas del
helio
superfluido. Resulta ser que le gusta moverse hacia temperaturas mas
altas.
Por lo tanto, mientras que la evaporacion enfria el exterior
del tapon, el superfluido fluye hacia el interior del dewar, que esta
mas tibio, formando una "back pressure", que actua como una pared que
mantiene el resto del helio superfluido en el dewar enfriando los
instrumentos.
Pruebas del Jet Propulsion Laboratory de la NASA tambien sirvieron para aclarar otro problema: donde se encuentra el helio dentro del dewar de un satelite. Para ello, se debe recordar que el helio superfluido tiene unas fuerzas cohesivas que son las mas debiles de la naturaleza. Un investigador lo pone en estas palabras: "un atomo de helio superfluido estaria al lado de cualquier cosa antes que estar al lado de otro atomo de helio superfluido". Por lo tanto, en el ambiente de microgravedad en que se mueve el satelite el helio forma una pelicula (film) sobre la superfice del termo manteniendo el vapor de helio en el medio. De esta manera el helio siempre se encuentra en contacto con las paredes, absorbiendo el calor que se genera. Ademas, el helio fluye hacia la parte del contener que esta mas caliente y por lo tanto funciona mejor como mejor refrigerante para el sistema.
