Blog Comité de Estudiantes de Ingeniería Mecánica - CEIM

TECH-DOPING: el futuro (¿Justo?) del rendimiento deportivo

2025-10-02T12:00:42Z

Autora: Daniela Sofia Hernández Echavez

Durante años, en el mundo del running, romper la barrera de las 2 horas parecía un sueño inalcanzable, algo que muchos consideraban imposible. Incluso los organizadores del evento en Viena promovían este desafío como "la última barrera del atletismo moderno" [1], pero Eliud Kipchoge nos dejó muy en claro que los límites solo existen para superarse.

La mañana del 12 de octubre de 2019 se realizó lo imposible. Por primera vez, apareció alguien capaz de completar una maratón en menos de 2 horas, a sus 34 años, Eliud logró cruzar la meta de los 42 kilómetros en 1 hora, 59 minutos y 40 segundos [2].

Figura 1. Eliud Kipchoge se convierte en el primero en completar una maratón en menos de 2 horas. Tomado de [2].

Mientras que algunos vieron el logro de Eliud como una muestra de la verdadera capacidad humana, otros señalaron que su logro se debe, en parte, al uso de la tecnología avanzada de las Nike Vaporfly que usaba al momento de ganar la competencia [2]; esta situación plantea un interrogante, ¿fue su récord y los de otros atletas un reflejo 100% de su entrenamiento y talento, o fue gracias a la innovación tecnológica? Esta es solo una de las tantas preguntas que hacen parte de un debate que no solo afecta al running, sino a muchos otros deportes, donde la línea entre un avance tecnológico y hacer trampa no está bien definida, y, por el contrario, es cada vez más difusa.

Figura 2. El traje Speedo LZR Racer, que reduce la resistencia al agua, fue prohibido por ofrecer una ventaja desproporcionada. Tomado de [3].

El tech-doping se refiere al uso de tecnologías en el deporte para mejorar el rendimiento de un atleta más allá de sus capacidades naturales, dándole una ventaja que puede ser considerada injusta en una competencia [4], las tecnologías varían según el deporte, generalmente son calzado, ropa, o cualquier otro equipamiento necesario para competir; no existe una regla única para todos los deportes que determine cuándo un artículo debe ser descalificado por su nivel de mejora, su costo o su exclusividad. Por eso, las decisiones sobre si un artículo debe ser prohibido en las competiciones suelen tomarse de manera retroactiva, es decir, después de que ya se haya usado [5].

En el caso de las supershoes, como las Nike Vaporfly generan controversia ya que cuentan con suelas hechas de espuma con alto retorno de energía y placas de fibra de carbono que actúan como resorte, todas estas innovaciones reducen el esfuerzo necesario para correr largas distancias [6]. Aunque cumplen con las regulaciones actuales (solo una placa rígida, y altura del midsole no superior a 40 mm) su impacto en el rendimiento ha generado debates sobre si constituyen un avance natural del deporte o una forma de tech-doping.

Figura 3. ZoomX Vaporfly 4%. Tomado de [7].

Entre las críticas principales es la dificultad de comparar los nuevos récords con los pasados, es difícil equiparar un tiempo logrado con zapatos de running actuales con los que se solían utilizar antes [6], otro punto a considerar es que estos zapatos no son asequibles para todo público, y su costo genera barreras para muchos atletas, en especial para aquellos que provienen de países en vías de desarrollo, donde correr es más que un deporte: es una oportunidad para escapar de la pobreza [4].

El debate sobre el tech-doping no tiene respuestas definitivas. Las innovaciones tecnológicas han transformado la manera en que entendemos los límites del rendimiento humano [5], pero también han abierto la puerta a nuevas preguntas sobre lo que significa competir de manera justa. ¿Hasta qué punto el uso de tecnología avanzada debería influir en el resultado de una competencia?

El futuro de este debate podría redefinir no solo el running, sino muchos otros deportes, y dejará a todos preguntándose: ¿Dónde ponemos la línea entre el talento humano y la innovación?

Referencias

[1]	A. Keh, «Eliud Kipchoge Breaks Two-Hour Marathon Barrier,» New York Times, 12 10 2019. [En línea]. Available: https://www.nytimes.com/2019/10/12/sports/eliud-kipchoge-marathon-record.html.
[2]	R. Hodgetts, «Eliud Kipchoge’s record-breaking Nike shoes under scrutiny,» CNN, enero 2020. [En línea].
[3]	NASA, «Space Age Swimsuit Reduces Drag, Breaks Records,» NASA technology Transfer Program, 2008. [En línea]. Available: https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2008/ch_4.html. [Último acceso: 05 Febrero 2025].
[4]	S. Vial, «Are running shoes getting too good? Why ‘technological doping’ is a growing concern for professional sports,» The conversation, 18 Julio 2024. [En línea]. Available: https://theconversation.com/are-running-shoes-getting-too-good-why-technological-doping-is-a-growing-concern-for-professional-sports-232905.
[5]	B. Iskandar, «Is Technology in the Olympics a Form of Doping or a Reality of Modern Sport?,» Scientific American, 25 Julio 2024. [En línea]. Available: https://www.scientificamerican.com/article/is-technology-in-the-olympics-a-form-of-doping-or-a-reality-of-modern-sport/.
[6]	J. W. Rosen, «Supershoes are reshaping distance running,» MIT technology review, 25 Junio 2024. [En línea]. Available: https://www.technologyreview.com/2024/06/25/1093520/supershoes-running-kenya-carbon-plate-shoes/.
[7]	Sneaker news, «Eliud Kipchoge Continues Search For Sub-Two Hour With Latest Nike Next% Shoe,» Sneaker news, 11 Octubre 2019. [En línea]. Available: https://sneakernews.com/2019/10/11/eliud-kipchoge-nike-next-percent-marathon-shoe/.

El efecto Coriolis explicado de una vez por todas (y sin complicaciones)

2025-08-08T11:00:42Z

Autor: Daniel Andrés Durango Herrera

¿Alguna vez te has preguntado por qué los huracanes en el hemisferio norte giran en sentido opuesto a los del hemisferio sur? ¿O por qué los aviones no recorren un camino perfectamente recto entre dos puntos?

En este artículo entenderás qué es el efecto Coriolis y por qué es tan importante para comprender cómo se comportan los objetos en movimiento sobre nuestro planeta.

Conceptos previos:

Antes de definir el efecto Coriolis, repasemos algunos conceptos básicos necesarios para entenderlo:

Rotación de la Tierra: Si observamos la Tierra desde el Polo Norte, veremos que gira en sentido antihorario (en un mapa, de izquierda a derecha).
Velocidad angular (ω): Es la medida de qué tan rápido gira un objeto, sin importar el tamaño de su trayectoria.
Velocidad lineal: Es la distancia que recorre un punto sobre un cuerpo en rotación. Cuanto más lejos esté del eje, mayor será su velocidad lineal.
Línea del Ecuador: Es la línea imaginaria que divide la Tierra en dos hemisferios, norte y sur, y es donde la velocidad lineal de rotación es máxima.

Figura 1. Comparación de distancias recorridas por dos personas alrededor de una fuente.

La distancia que recorre el hombre en la imagen es mayor que la de la mujer, aunque ambos tengan la misma velocidad angular. Si los dos tienen el mismo tiempo para dar una vuelta, el hombre (más alejado del centro) necesita mayor velocidad lineal. Esto es exactamente lo que ocurre con los puntos de la Tierra: cuanto más cerca del ecuador, mayor es la velocidad lineal.

Ahora sí… ¿Qué es el efecto Coriolis?

El efecto Coriolis es un fenómeno que ocurre debido a la rotación de la Tierra, y que hace que los objetos en movimiento a través de grandes distancias parezcan desviarse de su trayectoria recta.

No es que algo los empuje: simplemente, como la Tierra está girando bajo sus pies (¡y bajo nosotros!), su movimiento se curva desde nuestro punto de vista.

Imagina que tienes la fuerza de Hulk...

Supón que estás justo en el Ecuador y tienes la fuerza de Hulk. Decides lanzarle una pelota a tu amigo, que está en el Polo Norte. Apuntas en línea recta y la lanzas.

Pero, al observar la trayectoria de la pelota, se dan cuenta de que no va en línea recta, sino que se desvía hacia un lado. Esa desviación no es un error de puntería, sino una consecuencia del efecto Coriolis.

Figura 2. Visualización del efecto Coriolis desde el espacio.

En esta ilustración, vemos la Tierra desde una vista espacial perpendicular al eje terrestre, como si estuviéramos flotando en el espacio. La línea recta representa el camino que esperaríamos (“intended path”), pero la rotación de la Tierra provoca una desviación hacia la derecha (“actual path”, la línea curva rosa). Esta desviación es el efecto Coriolis.

¿Por qué ocurre esta desviación?

Esto tiene que ver con la diferencia en velocidad lineal en distintos puntos del planeta [1]:

En el Ecuador, la superficie de la Tierra se mueve a aproximadamente 1600 km/h hacia el este.
En los Polos, esa velocidad es prácticamente 0 km/h, ya que allí solo se gira sobre el eje, sin "recorrer distancia".

Tanto tú como la pelota ya tienen esa velocidad de 1600 km/h al momento del lanzamiento. Cuando la pelota viaja hacia un punto (el Polo Norte) que no tiene esa misma velocidad, termina "adelantándose" al lugar de destino, y su trayectoria se curva.

Un punto clave: el efecto Coriolis no genera movimiento

Es muy importante aclarar esto: El efecto Coriolis no pone a los objetos en movimiento, solo modifica su trayectoria si ya están en movimiento.

¿En qué fenómenos aparece?

El efecto Coriolis sí tiene un papel importante en movimientos de gran escala, como:

Los sistemas de viento y presión atmosférica
Las corrientes oceánicas
La rotación de los huracanes (en sentidos opuestos según el hemisferio)

Para cerrar: ¿Cómo resumir el efecto Coriolis?

Cuando un objeto se mueve sobre la superficie de la Tierra, su trayectoria parece desviarse porque la Tierra sigue girando mientras el objeto está en el aire o en movimiento. Desde nuestro punto de vista (que también está girando), esa desviación es visible y medible, y debe ser tenida en cuenta en la navegación, meteorología y otras ciencias. No es una fuerza externa que lo empuja. Es simplemente el resultado de observar el movimiento desde un sistema en rotación.

El efecto Coriolis no crea el movimiento, solo lo desvía. Y aunque puede parecer un detalle técnico, es fundamental para entender cómo se mueve todo en nuestro planeta, desde una pelota lanzada hasta un huracán.

Referencias

[1]	B. J. F. López, «¿Qué es la fuerza de Coriolis?,» 4 Mayo 2023. [En línea]. Disponible: https://medina.aemet.es/curiosidades/que-es-la-fuerza-de-coriolis. [Último acceso: 25 Marzo 2025].

Cómo la Aerodinámica Adaptativa está Revolucionando los Coches de Carreras

2025-05-16T12:30:42Z

Autor: Yamel Enrique Molina Brito

Hoy en día, es muy bien sabido que en la pista de Fórmula 1 las restricciones de velocidad son inexistentes y que estos carros sobrepasan por mucho los límites normales de velocidad de un coche común y corriente. Los aficionados a este deporte, estarán acostumbrados a deleitarse con tal espectáculo de ingeniería automotriz que suelen ofrecernos en la pista, su alargada y achatada carrocería, su vasto y pronunciado alerón, el grosor de sus llantas, su baja altura y su representativa parte delantera, los convierte en llamativas características que son mucho más que simplemente ornamentación; las cuales nos hace preguntarnos, ¿Qué papel juegan todos estos elementos en general para el vehículo?

Figura 1. Prototipo de la F1 para el Mundial 2022. Tomado de [1].

La respuesta a esta pregunta radica en la aerodinámica, un factor crucial en el diseño y rendimiento de los coches de carreras, que no solo define la velocidad máxima que un vehículo puede alcanzar, sino también su estabilidad, maniobrabilidad y eficiencia en las curvas. Cada elemento del diseño está cuidadosamente pensado para optimizar el flujo de aire, destacando cómo este factor se convierte en un diferenciador clave en el desempeño de estos vehículos de alta competencia.

Componentes aerodinámicos de un Fórmula 1

En particular, la aerodinámica se ha convertido en uno de los principales diferenciadores de rendimiento en la Fórmula 1, donde una mejora del 1% al 2% en el desempeño aerodinámico puede marcar la diferencia entre el primer y el décimo lugar. Dentro de este marco, vemos una serie de elementos y características netamente aerodinámicas que marcan la diferencia:

Alerón delantero 1

El alerón delantero es uno de los elementos clave en el desempeño de un monoplaza, ya que no solo produce una cantidad significativa de carga aerodinámica, sino que también define cómo el aire fluye hacia el resto del vehículo. Este componente genera dicha carga al dividir el flujo de aire que pasa sobre la carrocería.

A altas velocidades, el aire se separa en dos corrientes alrededor de la parte frontal del automóvil, las cuales se unen nuevamente detrás del alerón trasero. Esto mejora la eficiencia de dicho alerón, permitiéndole generar una mayor carga aerodinámica.

Figura 2. Estructuras vorticiales generadas por el ala delantera de un F1. Tomado de [2].

El flujo de aire genera un diferencial de presión entre la parte superior e inferior del ala, lo que produce una sustentación negativa en el vehículo. La carga aerodinámica creada por los alerones delanteros mejora la estabilidad en las curvas, ya que incrementa la presión en la parte delantera del automóvil, ayudando a mantenerlo adherido al suelo.

Tanto el alerón delantero como el trasero están sujetos a estrictas regulaciones por parte de la FIA (Fédération Internationale de l'Automobile, organismo rector del automovilismo a nivel mundial). Lo que implica que sus diseños varían significativamente cada año según las actualizaciones en las normativas.

El alerón delantero está compuesto por varios elementos:

Plano principal: Es la pieza más grande del alerón, sobre la cual se ensamblan las demás. Tiene una sección transversal con forma de ala invertida. Su parte central, conocida como la sección de control, tiene una geometría definida por la FIA que los equipos no pueden modificar. El diseño del resto del plano depende de cada escudería, siempre respetando las dimensiones estipuladas.

Figura 3. Alerón delantero Fórmula 1 2022. Tomado de [3].

Flaps: Son perfiles aerodinámicos dispuestos a diferentes alturas cuya función principal es desviar el aire para evitar que impacte directamente en los neumáticos, además de generar una elevada carga aerodinámica.

Figura 4. Flap Gurney. Tomado de [4].

Endplate: Esta pieza vertical se encuentra en los extremos del alerón y actúa de manera similar a los WingTips, (pequeñas extensiones aerodinámicas ubicadas en los extremos de los alerones delanteros o traseros), de un avión, reduciendo los vórtices responsables del drag inducido. También presenta una curvatura diseñada para dirigir el flujo de aire lejos de los neumáticos.

Figura 5. Endplates en auto de F1. Tomado de [5].

Figura 6. Desviación de la corriente de aire por parte de los Endplates. Tomado de [6].

Figura 7. Alerón delantero, formación de WINGTIPS. Tomado de [7].

Footplate: Es una extensión del plano principal ubicada al final del alerón. Su función es generar un vórtice que optimiza el flujo de aire alrededor de los neumáticos.

Figura 8. Footplates en auto de F1. Tomado de [8].

El alerón delantero juega un papel crucial, ya que no solo genera carga aerodinámica en el eje frontal (downforce), sino que también controla el flujo de aire hacia las partes posteriores del vehículo, mitigando los efectos negativos de las turbulencias generadas por las ruedas delanteras. Este complejo fenómeno de interacción de vórtices ilustra cómo cada componente del vehículo está diseñado para maximizar el rendimiento en la pista.

Bargeboards

Los bargeboards eran elementos aerodinámicos esenciales en los monoplazas de Fórmula 1, ubicados entre las ruedas delanteras y los pontones laterales. Su diseño consistía en una serie de planos verticales curvados cuya función principal era redirigir y suavizar el flujo de aire turbulento generado por el alerón delantero y las ruedas delanteras. Esto permitía canalizar el aire de manera eficiente hacia la parte trasera del coche, mejorando la carga aerodinámica y la estabilidad en curva.

Introducidos en 1993 por McLaren, estos componentes evolucionaron con el tiempo, volviéndose cada vez más complejos y optimizados para mejorar el rendimiento del monoplaza. Sin embargo, con la llegada de las nuevas regulaciones en 2022, los bargeboards fueron eliminados para simplificar la aerodinámica y reducir la turbulencia que dificultaba los adelantamientos, promoviendo así carreras más competitivas.

Figura 9. Bargeboards resaltados en color amarillo. Tomado de [9].

Figura 10. Bargeboards en auto F1. Tomado de [10].

Sidepods

Los sidepods no solo cumplen la función de refrigerar el motor, sino que también juegan un papel clave en la aerodinámica del monoplaza. Su diseño permite redirigir el flujo de aire hacia los componentes aerodinámicos traseros, encargados de generar gran parte de la carga aerodinámica del vehículo. Además, evitan que el aire impacte directamente en los neumáticos traseros, lo que reduciría la eficiencia aerodinámica. Gracias al Efecto Coanda, el aire se adhiere a la superficie del pontón, optimizando el flujo y mejorando el rendimiento del monoplaza.

Figura 11. Sidepods en auto de F1. Tomado de [11].

Suelo y difusor

El suelo y el difusor trabajan juntos para generar carga aerodinámica en un monoplaza de Fórmula 1. Mediante el efecto suelo, se crea una zona de baja presión debajo del coche y una de alta presión arriba, aumentando el agarre.

El difusor es clave en este proceso, ya que su diseño ensanchado y curvado, basado en el principio de Bernoulli, acelera la extracción de aire bajo el vehículo. Esto mejora la eficiencia aerodinámica y genera downforce, manteniendo el coche pegado al suelo para mayor estabilidad en curvas.

Figura 12. Suelo de un monoplaza (vista inferior). Tomado de [12].
Figura 13. Suelo de un monoplaza (vista lateral). Tomado de [13].

Figura 14. Difusor. Tomado de [14].

Alerón trasero

El alerón trasero en la Fórmula 1 es esencial para generar carga aerodinámica, mejorando la estabilidad y el rendimiento del monoplaza. Su diseño complejo debe considerar la interacción con otros elementos, como el difusor, para optimizar el flujo de aire y minimizar la resistencia al avance. Componentes como los endplates ayudan a reducir el drag inducido, mientras que sistemas como el DRS permiten ajustar la resistencia aerodinámica para facilitar adelantamientos. La evolución constante de estas tecnologías refleja la búsqueda de un equilibrio entre eficiencia aerodinámica y competitividad en la pista.

Figura 15. Alerón trasero en auto de F1. Tomado de [15].

La aerodinámica adaptativa en la Fórmula 1 es mucho más que un conjunto de elementos estéticos; es la columna vertebral del rendimiento de los monoplazas. Componentes como el alerón delantero, los sidepods, el suelo, el difusor y los extintos bargeboards trabajan en conjunto para optimizar el flujo de aire, generar carga aerodinámica y minimizar la resistencia al avance. Cada uno de estos elementos está diseñado con precisión para manipular las propiedades termodinámicas del aire, creando diferencias de presión que mejoran la estabilidad, el agarre y la eficiencia en la pista. Esta interacción compleja no solo permite a los coches alcanzar velocidades extremas, sino que también garantiza un manejo superior en curvas y una mayor competitividad en carrera. En definitiva, la aerodinámica adaptativa es un testimonio del ingenio humano, donde la física y la ingeniería convergen para llevar el rendimiento automotriz a nuevos horizontes, consolidando a la Fórmula 1 como el pináculo de la innovación tecnológica en el automovilismo.

Referencias

[1]	ELMUNDO, «Las claves para entender el coche del futuro: ¿Cómo dar más espectáculo con un concepto de los 70?,» [En línea]. Available: https://www.elmundo.es/deportes/formula-1/2021/07/17/60f191a5e4d4d8bd228b468a.html.
[2]	TOTALSIM, «Secrets of Formula 1 Part 2 – Importance of Aerodynamics,» [En línea]. Available: https://www.totalsimulation.co.uk/secrets-formula-1-part-2-importance-aerodynamics/.
[3]	TURBOSQUID, «Alerón delantero Fórmula 1 2022 Modelo 3D,» [En línea]. Available: https://www.turbosquid.com/es/3d-models/formula-1-2022-front-wing-3d-model-1836543.
[4]	Aerodinámica F1, «El flap Gurney en la Fórmula 1,» [En línea]. Available: https://www.aerodinamicaf1.com/2020/05/el-flap-gurney-en-la-formula-1/#google_vignette.
[5]	graining, «Técnica F1: Endplates,» [En línea]. Available: https://www.grainingf1.com/tecnica-f1-endplates/.
[6]	Formula1 Dictionary, «Front Wing Endplate,» [En línea]. Available: https://www.formula1-dictionary.net/f_w_endplate.html.
[7]	f1technical, «Wingtip Vortices,» [En línea]. Available: https://www.f1technical.net/forum/viewtopic.php?t=23660.
[8]	THE RACE, «Gary Anderson: How F1 front wings are changing for 2022,» [En línea]. Available: https://www.the-race.com/formula-1/gary-anderson-how-f1-front-wings-are-changing-for-2022/.
[9]	motorsport, «Análisis técnico: adiós a los bargeboards en la F1,» [En línea]. Available: https://lat.motorsport.com/f1/news/analisis-tecnico-formula1-adios-bargeboards/7198856/.
[10]	autosport, «The rise and fall of bargeboards in F1,» [En línea]. Available: https://www.autosport.com/f1/news/rise-and-fall-of-bargeboards-in-f1/7239198/.
[11]	THE RACE, «Huge sidepods or no sidepods? Mercedes’ and Ferrari’s theories,» [En línea]. Available: https://www.the-race.com/formula-1/huge-sidepods-or-no-sidepods-mercedes-and-ferraris-theories/ .
[12]	DAZN, «El secreto mejor guardado en el Mundial de F1: así son los suelos de Red Bull, Ferrari y Mercedes,» [En línea]. Available: https://www.dazn.com/es-ES/news/otros/el-secreto-mejor-guardado-mundial-f1-suelos-red-bull-ferrari-mercedes/kqcj48lj5c7q1cs8e9wla00db.
[13]	f1 en estado puro, «El efecto suelo podría volver a la Fórmula 1,» [En línea]. Available: https://www.f1enestadopuro.com/el-efecto-suelo-podria-volver-a-la-formula-1/.
[14]	motorsport, «El retoque del difusor de Ferrari que adelanta mejoras para el F1-75,» [En línea]. Available: https://lat.motorsport.com/f1/news/retoque-difusor-ferrari-adelanta-mejoras-f1-75/9909409/.
[15]	motorsport, «Lo que los alerones traseros de la F1 dicen sobre la batalla tecnológica de 2024,» [En línea]. Available: https://lat.motorsport.com/f1/news/f1-alerones-traseros-analisis-2024/10588047/.

Pipeline Construction 101

2025-05-12T12:30:42Z

Expanded overview based on the experience and words of engineer Glenn Evans, a specialist in piping and mechanical equipment for the Oil & Gas industry, with a solid background as a technical writer and B2B copywriter. Certified in both copywriting and personal development, he is recognized for combining deep technical expertise with clear, results-driven communication.

Welcome to Pipeline Construction 101 – No formulas, just the good stuff 🚧

Ever looked at a pipeline cutting through landscapes and wondered, “How does that even get built?” You're not alone. Whether you're an engineering student, a curious mind, or someone who just wants to know how oil, gas, or even water travels across countries — this is your class.

In Pipeline Construction 101, we ditch the heavy math and dive into the real-world essentials: how pipelines are designed, the challenges of terrain, welding and testing, and the environmental considerations that make or break a project. No formulas. No fluff. Just everything you actually need to understand how pipelines come to life, from the blueprint to the ground.

So grab your hard hat (metaphorically speaking) — it’s time to explore the backbone of modern infrastructure.

Step 1: Pre-Construction Survey

The route is surveyed and staked. Environmental, landowner, and logistical concerns are addressed. This step sets the tone for the rest—if you mess this up, everything downstream costs more.

Before a single shovel hits the ground, planning begins. The route is selected through a complex balancing act between engineering feasibility, environmental preservation, cost, and landowner rights. Surveyors use topographic data, aerial imagery, and stakeholder feedback to recommend the optimal path. Easements—legal rights to use private land—must be negotiated, and landowners are advised to carefully review their agreements. In certain jurisdictions, if negotiations fail, eminent domain laws may allow compulsory access. Once agreements are in place, physical markers are installed along the Right-of-Way (ROW) to guide construction teams. These visual cues include stakes, pins, and flagging that define work boundaries and indicate tree removal zones. Inspectors coordinate with contractors and project managers to ensure alignment with approved IFC drawings, maintaining oversight from start to finish. A solid pre-construction survey helps avoid costly reroutes, unexpected delays, and stakeholder conflicts down the line.

Step 2: Clearing and Grading

Trees, brush, and obstacles are cleared. Grading levels the work area so crews and equipment can move safely and efficiently.

With survey markers in place, crews move in to clear the ROW. Chainsaws, mulchers, and heavy equipment clear vegetation, trees, and obstacles. Salvageable timber may be stored, while brush is chipped, burned, or removed. In agricultural zones, topsoil is stripped and stored for later use to preserve soil health. Where the ground is uneven, grading levels the site, often using bulldozers and graders. Rocky areas may require blasting, and frozen ground may call for frost-packing techniques. Drainage paths are considered to avoid future erosion. ROW access roads are established for equipment, and fencing is erected to protect livestock and delineate work zones. Special care is taken to minimize environmental impact, particularly in areas with sensitive ecosystems or endangered species.

Step 3: Trenching

Excavators dig a trench along the graded route, sized to fit the pipe and any required padding material.

Excavation begins along the graded path. Trench dimensions are determined by pipe size, bedding depth, and soil conditions. Trenches are generally deeper than wide and must be stable. Spoil piles are set back at least two feet from the edge to prevent cave-ins. Underground utility lines are located in advance to avoid damage. For deep or unstable soils, trench boxes or shoring may be required to protect workers. Daily safety inspections are essential to reduce hazards in and around trench zones. Trenching also considers access for stringing and welding crews and future maintenance accessibility.

Step 4: Stringing Pipe

Pre-fabricated steel pipe sections are trucked in and laid out along the trench. Each section is aligned end-to-end.

Steel pipe sections, often pre-coated with anti-corrosion layers, are trucked to the ROW and laid end-to-end. This process is called stringing. The sections are supported on wooden skids or plastic cradles to protect coatings and ease future handling. Material inspection occurs at every stage—from the marshalling yard to the site. Any damaged pieces are quarantined and replaced. Inspectors verify heat numbers, traceability, and material test reports. Proper alignment during stringing minimizes adjustments during welding. In large-scale operations, stringing can span multiple kilometers per day, depending on terrain and weather conditions.

Step 5: Welding Operations

Pipeline welders—some of the best-paid workers on-site—join the sections using automated or manual welding methods.

Each joint is welded to create a continuous pipeline. Skilled welders use techniques like SMAW (stick), GMAW (MIG), or GTAW (TIG), depending on pipe thickness and project requirements. For larger diameters, orbital welding is increasingly used. This mechanized method allows for precise, repeatable welds with fewer defects and less fatigue on the operator. Orbital welding is especially useful for long, remote projects where consistency is crucial. Every weld pass is controlled for speed, amperage, and shielding gas, ensuring a uniform fusion. Welding logs are maintained meticulously to ensure every joint can be traced back to the welder and method used.

Step 6: Weld Inspection

X-ray or ultrasonic testing crews follow right behind the welders, checking each joint for defects. No shortcuts here—bad welds mean bad outcomes.

Every weld undergoes rigorous inspection. Non-destructive testing (NDT) methods such as radiography (X-ray) or ultrasonic testing are employed to detect cracks, inclusions, or incomplete fusion. Inspectors also check joint cleanliness, alignment, and heat-affected zones. Records are maintained for traceability. No weld is buried until it's passed inspection—quality is paramount. Additional spot-checks are often conducted by third-party quality control personnel to validate results and eliminate any bias in field reports.

Step 7: Cold Bending

This often-overlooked step is critical. To follow natural terrain or avoid obstacles, sections must be cold bent with precise calculations. Get this wrong, and your pipe will ride too high or sink too deep, wrecking alignment and stability.

Pipes are bent on-site to follow terrain changes or navigate around obstacles. This is done cold—without applying heat—which means strict limits exist to avoid overstressing the steel or damaging coatings. Bending machines apply controlled force, and bend radii are calculated based on pipe diameter and wall thickness. Where bends exceed limits, factory-made fittings or hot bends are used. Inspectors monitor each bend to confirm compliance with specifications. Failure to properly bend a pipe can result in long-term stress accumulation, leading to cracks or joint failure down the line.

Step 8: Coating and Wrapping

Welds are cleaned, coated, and wrapped to prevent corrosion. Damaged coatings along the pipe string are repaired on-site.

Once welded, joints are cleaned and coated to match the factory-applied protection. The coating system typically involves a primer, an inner butyl tape, and a tough outer PVC wrap. The process must occur in dry conditions to ensure adhesion. Any flaws—like sags or holidays (gaps)—are repaired before lowering the pipe. Coating crews often work just ahead of lowering teams to maintain workflow. Strict environmental protocols govern coating work to prevent chemical runoff or groundwater contamination.

Step 9: Lowering and Backfilling

The pipeline is carefully lowered into the trench—usually with sidebooms—and then backfilled. Tie-ins connect separate segments.

With all joints welded and coated, the pipe is carefully lifted and lowered into the trench using sidebooms or pipelayers. Special attention is paid to prevent damage to the pipe or coating. Padding—either imported sand or screened native material—is placed around the pipe for protection. Backfilling continues in lifts, ensuring compaction and drainage. Tie-in crews connect pipeline segments and special crossings. In water-prone areas, drainage channels or geotextiles may be added to stabilize the soil.

Step 10: Cathodic Protection

An impressed current or sacrificial anode system is installed to prevent long-term corrosion of the steel.

To protect the buried steel from long-term corrosion, cathodic protection systems are installed. These systems may use sacrificial magnesium or zinc anodes, or they may use an external power source (impressed current) to offset corrosion potential. Monitoring equipment ensures the system stays within safe voltage ranges. Corrosion engineers periodically test and maintain the system throughout the pipeline's life. The CP system is usually designed to operate for decades, with periodic maintenance checks scheduled into the operating budget.

Step 11: Pigging

Pipeline “pigs” are sent through to clean out debris and check for blockages. Sometimes smart pigs are used to inspect wall thickness and integrity.

Pigs—specialized devices—are launched into the pipeline to clean, inspect, and confirm integrity. Foam pigs remove debris; brush pigs scrape wax and buildup; smart pigs use sensors to detect wall thinning, cracks, or dents. Pigging is part of both construction and maintenance. Mothballing chemicals or inert gas purges may be applied if the pipeline will sit idle before startup. Pig launcher and receiver stations are built to facilitate pig entry and recovery, and safety interlocks prevent unintentional launches.

Step 12: Hydrostatic Testing

Water is pumped into the line and pressurized well beyond operating conditions. This is the final integrity check before commissioning.

The entire pipeline is filled with water and pressurized to exceed normal operating limits. The goal is to identify leaks or structural weaknesses. In cold climates, glycol or methanol may be added to prevent freezing. Water must be treated before disposal to meet environmental standards. Sections that cannot be tested hydraulically—such as gas lines or fragile liners—are tested with air or nitrogen. Pressure logs are recorded and analyzed to confirm structural integrity and absence of leaks.

Step 13: Site Reinstatement

Topsoil is replaced, land is restored as close to its original state as possible, and the worksite is cleaned up.

After testing, cleanup begins. Stored topsoil is redistributed. The land is graded to natural contours and re-seeded. In environmentally sensitive areas, native plants may be reintroduced. Drainage paths are stabilized, and erosion control measures like silt fences or mats are installed. Monitoring continues for years to ensure full restoration. Some areas may be subject to multi-year bio-restoration plans involving soil amendments, invasive species control, and public access restrictions.

Step 14: Commissioning and Turnover

Final documentation is handed over, systems are energized or brought online, and the pipeline goes into operation.

The final stage includes system calibration, flow checks, and the handover of documentation. Pumps, valves, and instrumentation are energized. Final walkdowns confirm readiness. At this point, the pipeline transitions from a construction project to a live operational asset. Operators are briefed, control systems are tested, and emergency response protocols are finalized. The project is only considered closed when it meets all regulatory and safety requirements for long-term operation.

Conclusions

Building a pipeline is not just about digging and putting pipes in the ground. It is a careful process that follows many steps — from planning and safety checks to welding and testing. Every phase is important and must be done correctly.

We saw that things like strong welds, good protection for the pipe, and working with the environment are all key parts of the job. New technologies also help make the work faster and safer.

Knowing how pipeline construction works helps everyone — not just engineers. It helps communities and people who live near the pipelines understand the project and ask good questions.

In the end, a pipeline is more than just a tube for oil or gas. It is a big team effort that connects energy with the people who need it.

POTENCIA VS TORQUE: ¿Qué significan realmente en tu motor?

2025-05-05T13:47:18Z

Autor: Jorge Camilo Baquero Vizcaino

Si alguna vez has llevado tu carro al mecánico y has escuchado hablar de potencia y torque, pero no entendiste bien que significa, no te preocupes, para eso estamos, te explicaremos de la manera más sencilla qué son y cómo afectan en el rendimiento de tu coche.

Figura 1. Diferencia de torque y potencia. Tomado de [1].

¿Qué es el torque?

El torque es la fuerza que hace girar un objeto, como una tuerca o una rueda. Se mide en Newton metro (Nm) y se representa con la letra T [2]. Se calcula multiplicando la fuerza aplicada (F) por la distancia desde el punto donde se aplica la fuerza hasta el eje de giro (D).

Imagina que usas una llave para aflojar una tuerca: si aplicas más fuerza o usas una llave más larga, será más fácil girarla. Esto sucede porque estás generando más torque. En la Figura 2, se muestra este concepto de manera gráfica.

Figura 2. Concepto de torque. Tomado de [3].

En los autos, el torque les permite moverse desde cero y transportar cargas, ejemplos más concisos serían: un camión grande tiene mucho torque porque necesita mover una carga pesada o un taladro potente que usa torque para perforar materiales duros.

¿Cómo se genera el torque en un motor?

El torque es la fuerza de giro que produce el motor y se genera dentro de los cilindros a través de la combustión de la mezcla de aire y combustible. En este caso, hablamos de un motor de encendido por chispa (motor Otto), que utiliza una bujía para iniciar la combustión. Este proceso se puede observar en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama de ciclo de motor de cuatro tiempos. Tomado de [4].

En la Figura 3, podemos apreciar estos 4 tiempos, que sucede en cada una de ellas. En la primera llamada admisión, sucede que el pistón baja y entra la mezcla de combustible y aire, en el segundo tiempo sube el pistón y comprime esa mezcla, el tercer tiempo, el más impresionante, en el cual la bujía enciende la mezcla, generando una explosión que empuja el pistón hacia abajo con fuerza, y en el último tiempo, los gases quemados salen y el ciclo vuelve a empezar [4].

Cuando los pistones bajen con fuerza, hacen girar el cigüeñal, que es encargado de transmitir el movimiento a las ruedas, este giro es el torque [5].

¿Qué es la potencia?

La potencia es aquella cantidad de trabajo que produce un motor en un determinado periodo de tiempo [2]. En términos simples, es la velocidad a la que el motor puede generar energía para mover el vehículo, en este caso, se mide en caballos de fuerza (HP) o kilovatios (kW), un ejemplo práctico sería el de un auto de carreras que tiene mucha potencia porque necesita alcanzar altas velocidades en corto tiempo.

Figura 4. Motor de 4 pistones. Tomado de [6].

Figura 5. Velocímetro y tacómetro (tacómetro). Tomado de [7].

Para conocer cuál es la potencia del motor de tu vehículo necesitas saber lo siguiente, a partir de la fórmula de la potencia:

Esto significa que un motor puede tener alta potencia si tiene mucho torque, muchas revoluciones por minutos (RPM) o ambas [8].

¿Cómo se genera la potencia?

La potencia depende de dos factores claves: las revoluciones y el torque; este último es la fuerza que produce el motor, y las revoluciones corresponden a la velocidad a la que gira el motor. Cuanto más rápido un motor pueda generar torque, más potencia tendrá.

Entonces te preguntarás: ¿Un camión trabaja con mucho torque? Sí, pero trabaja con RPM bajas, por lo que su potencia es moderada.

Potencias en diferentes motores de combustión

Motores de alto torque y baja potencia son los ideales para transportar carga pesadas, como lo son los camiones y/o tractores, los motores de alta potencia y menos torque, diseñados para alcanzar altas velocidades, como los carros deportivos o motocicletas de carrera.

Figura 6. Representación de potencia. Tomado de [9].

Figura 7. Representación de torque. Tomado de [10].

En conclusión, el par y la potencia son conceptos esenciales para comprender el rendimiento de un motor. Mientras que el torque es la fuerza que permite el movimiento, la potencia determina qué tan rápido se puede realizar ese trabajo.

Un vehículo con alto torque es ideal para transportar cargas pesadas o moverse en terrenos difíciles, mientras que uno con alta potencia está diseñado para alcanzar grandes velocidades. Ambos factores trabajan juntos para lograr un desempeño equilibrado según las necesidades del vehículo.

Referencias

[1]	«Potencia vs. Torque,» [En línea]. Available: https://i.ytimg.com/vi/Ibec6ZcMqFs/maxresdefault.jpg.
[2]	LaDiferencia.net, «Torque vs. Potencia: ¿Cuál es la verdadera fuerza?,» [En línea]. Available: https://www.ladiferencia.net/diferencias-entre-torque-y-potencia/.
[3]	Aprendafaciles, «Determinación del Torque y Potencia de un Motor,» [En línea]. Available: https://aprendafaciles.com/2023/04/15/determinacion-del-torque-y-potencia-de-un-motor/.
[4]	«Motor de cuatro tiempos. Ciclo de Otto,» [En línea]. Available: https://edea.juntadeandalucia.es/bancorecursos/file/0adc252a-0bc8-4ec6-8095-b4e6eee95462/1/es-an_2018090612_9101237.zip/2_motor_de_cuatro_tiempos_ciclo_de_otto.html?temp.hn=true&temp.hb=true.
[5]	motor.es, «Qué es un motor de combustión, qué tipos hay y cuál es su futuro,» [En línea]. Available: https://www.motor.es/que-es/motor-de-combustion.
[6]	TRANSPORTE.MX, «Cómo funciona un motor diesel,» [En línea]. Available: https://transporte.mx/como-funciona-un-motor-diesel/.
[7]	«Velocímetro y tacómetro,» [En línea]. Available: https://thumbs.dreamstime.com/b/velocímetro-y-tacómetro-del-automóvil-13947276.jpg.
[8]	Siempre Auto, «¿Qué es la potencia de un auto y por qué es importante?,» [En línea]. Available: https://siempreauto.com/que-es-la-potencia-de-un-auto/.
[9]	digitaltrends, «10 crazy technologies and innovations banned from Formula One,» [En línea]. Available: https://www.digitaltrends.com/cars/10-craziest-technologies-banned-f1/#dt-heading-brabham-bt46b-fan-car.
[10]	«Potencia,» [En línea]. Available: https://i.ytimg.com/vi/KzxL_YA3sRI/maxresdefault.jpg.

AVIONES Y F´S, ¿EN QUÉ SE DIFERENCIAN?

2024-10-01T20:00:14Z

Autor: Juan Camilo Oñoro Araujo

¿Ustedes se imaginan a un costeño probando su propio avión prototipo en pleno Carnaval?

Un profesor en Introducción a la Ingeniería Mecánica a sus estudiantes

Los humanos siempre hemos tenido el deseo de superarnos y de sobreponernos antes las desventajas naturales que nos confieren nuestros cuerpos en la naturaleza. Cuando hubo la necesidad de comer mejor y estar en un ambiente más cálido, se descubrió el fuego, cuando se tuvo que renovar la mano de obra para aumentar la producción de empresas, los ingleses revolucionaron industrialmente el mundo -literalmente-, cuando se quiso descubrir los misterios del océano, se inventó el submarino y los trajes de buceo, cuando surgió el deseo de surcar los cielos, no fue una excepción. Puede dirigirse a la Figura 1 para verlo como una línea de tiempo.

Figura 1. Línea de tiempo con algunos avances e hitos

Para finales del siglo XIX y comienzos del XX, los intentos por construir aeronaves habían sido numerosos, pero siempre quedaban en eso, intentos, con resultados no muy buenos para los involucrados. Pero en 1903, los hermanos Wright conquistaron por primera vez los cielos logrando recorrer en 12 s unos 40 m, poco menos de la mitad de una vuelta de una piscina olímpica [1]. En la Figura 2 y Figura 3 se puede ver una fotografía del aeroplano en el aire y de los hermanos, respectivamente.

Figura 2. Aeroplano de los Hermanos Wright. Tomado de [2]

Figura 3. Orville y Wilbur Wright. Tomado de [1]

Es natural pensar que, si ya se podía subir a un avión a volar, también debía existir una manera de bajarse de ellos, por lo que ahora el esfuerzo principal no era volar, sino dejar de volar. Uno de estos intentos lo realizó el sastre austriaco Franz Reichelt en 1912. Reichelt saltó de la primera plataforma de la Torre Eiffel (aprox. 57 m de altura) para probar su traje, lastimosamente, no terminó muy bien para él [3]. En la Figura 3 se puede ver una foto tomada por un testigo del salto.

Figura 4. Silueta de Reichelt probando su "paracaídas". Tomado de [3].

Es obvio que muchas de estas personas no habían hecho un curso de Mecánica de Fluidos o de Termodinámica para saber que era lo que provocaba la sustentación en un avión ni qué variables afectaban el empuje de una tobera, pero aquí estamos, en una era en donde se pueden construir puentes que conectan municipios entre montañas en menos de 2 años que no se caen (no aplica si es en nuestro país), tomar un vuelo de Barranquilla a Bogotá en poco más de 40 min o, si es interés militar, construir un F-18 para alcanzar velocidades de casi 2000 km/h.

Al leer esta cifra es común preguntarse entonces a qué se deben la diferencia de velocidades entre un avión comercial como un Airbus A320 o un Boeing 787 con un F-18, apreciables en la Figura 4.

Figura 5. Airbus A320 (izquierda) y un F/A-18 (derecha)

Bueno, una primera respuesta, y bastante obvia, es la seguridad, nadie quiere tener un aparato de más de 42 toneladas volando a más de 1500 km/h con pasajeros civiles muy nerviosos. La segunda, y un poco más elaborada, es por el tipo de motor que utilizan para su propulsión.

TURBORREACTORES EN AVIONES COMERCIALES

Cuando se piensa en motores de aviones comerciales suele venirse a la cabeza aquellos que están formados por una gran turbina y una tobera al final de estos que genera el aceleramiento de los gases de escape luego de completar el recorrido en el sistema interno, lo cual es hasta cierto punto correcto porque, en general, los aviones modernos son impulsados por motores a reacción que convierten la energía cinética del fluido de trabajo en empuje para avanzar. Estos motores se componen de una entrada o succión de aire que llega hasta un difusor que se encargará de elevarle la presión mientras lo desacelera hasta una velocidad en donde llegará a un compresor, que se encargará de aumentarle nuevamente la presión al fluido para que luego sea quemado en una cámara de combustión y salga a una turbina que, en el caso ideal, generará suficiente energía como para mover el compresor por sí sola, por último, salen a una tobera que acelerará los gases restantes para producir el impulso de la aeronave. A este tipo de motores se les conoce como turborreactores, puesto que generan una gran cantidad de variación de movimiento para una pequeña cantidad de fluido [4, pp. 508-509]. En la Figura 5 se aprecia una representación de las partes mencionadas.

Figura 6. Esquema general de un motor de reacción sin ventilador. Tomado de [4]

En estos dispositivos se suele hacer una modificación, a la que se le conoce como turbofán. Esta consiste en unir un ventilador que divida el canal de admisión en dos partes, logrando que solo una fracción del aire succionado vaya al compresor y posteriormente a los quemadores, mientras que la otra se dirige directamente hacia la salida, permitiendo lograr dos cosas:

Empuje adicional porque se está redirigiendo una gran cantidad de aire hacia la salida directamente sin necesidad de pasar por la sección de quemadores.
Reducción del ruido generado por el conjunto, puesto que ahora a la salida hay una mezcla de aire con distintas velocidades.

En la Figura 6 se observa un esquema general del diseño de un turbofán. Se aprecia el gran diámetro del ventilador, que permite desviar parte del flujo hacia el exterior sin pasar por núcleo central.

Figura 7. Esquema de un turborreactor con ventilador. Tomado de [5]

Figura 8. Motor turborreactor con ventilador real. Tomado de [6]

En la Figura 7 se puede observar un motor de jet ejecutivo. En este se puede apreciar el gran ventilador frontal con sus álabes y la cubierta protectora, los quemadores y las turbinas que desembocan en la tobera posterior. Estos motores están dedicados a la aviación civil por su eficiencia a grandes alturas y por su versatilidad a la hora de la fracción de fluido que se puede desviar. Normalmente, se busca que dicha cantidad (llamada relación de desvío) sea alta, de modo que no se alcancen empujes críticos en caso de superarse la velocidad del sonido.

TURBORREACTORES DE BAJA RELACIÓN DE DESVÍO

Ya se mencionó que en aviones comerciales se busca que las relaciones de desvío en un turbofán sean altas para incrementar la eficiencia y mejorar la reducción de ruido, pero en aeronaves con propósitos militares, una de las principales cualidades a buscar es la velocidad, por lo que se deben hacer modificaciones al turbofán ya presentado.

Una de las primeras modificaciones que se pensaron fue en reducir la relación de desvío, puesto que así se tendría muchísimo más empuje. Una de las maneras en las que se pensó hacer esto fue reduciendo el tamaño de la cubierta externa del ventilador, pero esto se descartó por temas de seguridad estructural. En cambio, se adoptó la idea para avionetas ligeras que vuelan a bajas velocidades, lo que puede observarse en la Figura 8.

Figura 9. Motor de un turbohélice sin cubierta. Tomado de [4]

Para los propósitos militares se sugirió el uso de quemadores posteriores que aprovechen el potencial químico restante de los gases de combustión para una segunda etapa de quema después de la turbina. Esto se puede hacer porque no todo el oxígeno inicial del aire se usa en la cámara de combustión, de hacerlo, se podrían alcanzar temperaturas muy altas en los materiales del sistema que podrían provocar a la larga una falla por termofluencia o por fundición de los mecanismos.

Figura 10. Avión F-18 con postquemadores para poder despegar en una pista corta de un portaaviones

Esta modificación permite obtener muchísima velocidad tanto como 5 veces la velocidad del sonido, pero el precio que se paga es el altísimo consumo de combustible y un incremento enorme en la intensidad del sonido que sale de la tobera. En la Figura 9 puede verse un ejemplo. Un F-18 que, debido a la escaza longitud de la pista de un portaaviones, necesita mucha potencia por lo que se recurre a un proceso de postquemadores, lo que se puede evidenciar por el tono naranja en los gases de salida de la tobera, indicando que están comprimidos a muy alta temperatura.

Referencias

[1]	R. Aspiazu, «El gran vuelo de los hermanos Wright,» ELUNIVERSO, 5 Septiembre 2021. [En línea]. Available: https://www.eluniverso.com/larevista/sociedad/el-gran-vuelo-de-los-hermanos-wright-nota/. [Último acceso: 16 Junio 2024].
[2]	Agencia Estatal de Seguridad Aérea, «Los Hermanos Wright: Cómo Cambiaron el Mundo con el Primer Avión de la Historia,» [En línea]. Available: https://www.oneair.es/hermanos-wright-primer-avion-historia/. [Último acceso: 16 Junio 2024].
[3]	I. Pedraz, «La historia del sastre que murió tras saltar desde la Torre Eiffel para probar su paracaídas,» República. , 3 Noviembre 2022. [En línea]. Available: https://republica.gt/internacional/la-historia-del-sastre-que-murio-tras-saltar-desde-la-torre-eiffel-para-probar-su-paracaidas-202211315330. [Último acceso: 16 Junio 2024].
[4]	Y. Çengel, M. Boles y M. Kanoğlu, de Termodinámica, McGrawHill, 2019.
[5]	«Turbofán,» Wikipedia, [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Turbof%C3%A1n. [Último acceso: 23 Junio 2024].
[6]	FlyFlapper, «Pistón, Turbohélice O Jet: ¿Cuáles Son Las Diferencias Entre Los Principales Tipos De Motores De Aeronaves Ejecutivas?,» [En línea]. Available: https://flyflapper.com/stories/es/piston-turbohelice-o-jet-cuales-son-las-diferencias-entre-los-principales-tipos-de-motores-de-aeronaves-ejecutivas/. [Último acceso: 23 Junio 2024].

¿Cómo crear plasma con una uva y un microondas?

2024-09-17T04:00:14Z

Autoras: María Carolina Cantillo y Jenaan Khaled Tarabein

Disclaimer: Antes que nada, nos gustaría dejar en claro que no nos haremos responsables de cualquier intento de recrear el experimento aquí tratado y posibles efectos en la integridad de sus microondas. No se aceptan quejas ni reclamos. Ahora sí con esto dicho, comencemos:

¿Sabes que tienen en común el velcro, la Coca-Cola, la penicilina, el marcapasos, las galletas con chispas de chocolate y el microondas? Aunque todos estos inventos son muy distintos, comparten una misma característica, fueron descubiertos accidentalmente.

En el caso del horno microondas este suceso ocurrió en 1945 cuando el ingeniero Percy Spencer realizaba experimentos en su laboratorio con un magnetrón con fines armamentísticos. Todo cambió cuando Spencer notó que un dulce que guardaba en el bolsillo se había derretido y supuso que estaría relacionado con las ondas del aparato, acto seguido para probar su hipótesis lo volvió a intentar con un huevo crudo y granos de maíz, concluyendo el primero en una explosión y el segundo en palomitas de maíz.

¿Cómo funciona un microondas?

Los hornos microondas cocinan los alimentos increíblemente rápido, calentando las sobras refrigeradas en minutos o menos. Esto era algo increíble para la época en que era posible demorarse horas solo para calentar un plato de comida. Pero ¿Cómo es esto posible?

Este fenómeno se debe principalmente al magnetrón, este funciona partiendo de dos principios fundamentales de la física: el movimiento de los electrones en el campo magnético (al ingresar los electrones a un campo eléctrico estos experimentan un movimiento circular o espiral, lo que genera microondas) y la resonancia electromagnética (oscila a una frecuencia con la máxima amplitud, para amplificar la señal producida).

Un microondas tiene varias partes clave que permiten su funcionamiento:

• Magnetrón: Genera las microondas que calientan los alimentos. • Guía de ondas: Canaliza las microondas hacia el interior del horno.

• Ventilador: Dispersa el calor generado por el magnetrón y ayuda a la circulación de aire.

• Plato giratorio: Hace girar los alimentos para una cocción uniforme.

• Panel de control: Permite al usuario ajustar el tiempo y la potencia.

• Transformador de alto voltaje: Aumenta el voltaje para alimentar el magnetrón.

¿Cómo funciona el magnetrón?

Partes de un magnetrón

En realidad, su funcionamiento es muy simple dentro del magnetrón que hay en cada microondas, se encuentra un cátodo (electrodo negativo) en el centro y un ánodo (electrodo positivo) alrededor. El cátodo se encarga de emitir electrones debido al efecto termoiónico.

Cátado y ánodo de un magnetrón

Cuando aplicamos una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, se crea un campo eléctrico. Este campo trata de "empujar" los electrones del cátodo al ánodo.

Campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo

Además del campo eléctrico, hay un campo magnético perpendicular al campo eléctrico. Este campo magnético "desvía" a los electrones, haciendo que no vayan en línea recta, sino en un movimiento circular y es cauda debido a dos imanes ubicados en su interior.

Campo magnético generado por los imanes

Debido a la combinación del campo magnético y el campo eléctrico, los electrones empiezan a moverse en espirales alrededor del cátodo, formando lo que podríamos imaginar como un "remolino" de electrones.

Remolino de electrones o ciclotrón

El magnetrón tiene cavidades resonantes (como pequeñas cámaras), que están diseñadas para hacer que los electrones generen ondas electromagnéticas a una frecuencia específica (en el caso del microondas, en el rango de las microondas). A medida que los electrones giran y se mueven en espiral, generan ondas electromagnéticas dentro de las cavidades resonantes.

Cavidades del ánodo

Estas ondas salen por una antena conectada al magnetrón, que luego las dirige hacia el interior del horno de microondas. Las microondas generadas hacen vibrar las moléculas de agua en los alimentos, lo que produce calor y, finalmente, cocina o calienta lo que metiste en el microondas.

¿Qué es el plasma?

El plasma, comúnmente descrito como el cuarto estado de la materia, se forma al ionizar un gas, liberando electrones de los átomos y creando una mezcla de iones positivos y electrones libres[x]. Esta mezcla es altamente conductiva y responde a campos electromagnéticos. Así como presenciamos el plasma de manera natural en el universo, estrellas y el espacio interestelar, este también se produce de forma artificial para aplicaciones en la fabricación y la tecnología, como en revestimientos especializados y la industria de semiconductores.

Efecto uva + microondas = plasma

En este blog, exploraremos cómo las energías dentro de un microondas pueden inducir la formación de plasma. Aunque generar plasma en un microondas casero implica riesgos y no se recomienda intentarlo sin las precauciones adecuadas, comprender este proceso ofrece una perspectiva fascinante sobre la física del plasma y sus aplicaciones prácticas. En los siguientes segmentos, detallaremos los principios científicos presentes y como se manifiestan en tecnologías cotidianas.

La capacidad de un microondas casero para generar plasma se puede demostrar con un experimento simple usando una uva cortada por la mitad. Este método ilustra la interacción entre la energía de las microondas y los componentes minerales naturales de la fruta, destacando la formación de plasma bajo condiciones específicas.

Cuando se coloca la uva cortada en el microondas, las microondas, que son ondas electromagnéticas, activan los iones de potasio y sodio presentes en la humedad de la uva. Las mitades de la uva, conectadas por un pequeño puente de piel, concentran la energía electromagnética en este pequeño espacio, creando condiciones ideales para la ionización del aire entre las mitades. Este aire ionizado es lo que observamos como plasma, una chispa brillante que aparece brevemente durante la exposición a las microondas.

En la imagen anterior se pueden distinguir las distintas fases del fenómeno. Inicialmente, cuando el microondas comienza a actuar sobre las uvas, se puede ver un leve brillo que indica el comienzo de la ionización del aire entre las mitades de la uva. A medida que continúa la exposición a las microondas, este brillo se intensifica y se transforma en una llama claramente visible, que es el plasma en sí. Esta luz brillante es resultado de la energía electromagnética que estimula los electrones en los gases del aire, provocando su ionización. En la tercera fase, el plasma desarrollado, se mantiene estable y luminoso por la continua exposición.

El gráfico que se encuentra bajo la imagen muestra la emisión de luz del plasma en diferentes longitudes de onda. Las curvas representan diferentes materiales (uvas, papel de aluminio, y perlas de agua), indicando cómo estos materiales afectan la intensidad y la distribución espectral del plasma. Notablemente, las líneas prominentes de sodio (Na) y potasio (K) indican la presencia de estos elementos en las uvas, que son críticos para la formación del plasma.

El experimento de plasma con una uva en un microondas demuestra cómo las microondas pueden ionizar el aire entre las mitades de la uva, generando plasma. Este fenómeno ilustra la interacción entre las microondas y los componentes de la fruta, resultando en una chispa visible. Aunque el experimento es interesante, es crucial realizarlo con precaución para evitar daños al microondas o riesgos para la seguridad. En esencia, el microondas utiliza principios físicos complejos para calentar los alimentos de manera rápida y efectiva.

Otras curiosidades del microondas

¿Por qué no se pueden meter metales u otros materiales?

Metales: Los metales no son seguros para usar en un microondas. Esto se debe a que las microondas provocan que los electrones en los metales se muevan rápidamente, creando chispas y arcos eléctricos. Además, el metal puede reflejar las microondas, causando una distribución desigual del calor.

Papeles y cartones: Aunque algunos papeles y cartones pueden parecer seguros, en realidad pueden ser peligrosos. Pueden incendiarse si se calientan demasiado tiempo o si se exponen a microondas durante períodos prolongados. Además, algunos papeles pueden liberar tintas o sustancias químicas no aptas para el consumo.

Referencias

https://www.bbc.com/mundo/noticias-41284514 https://www.scientificamerican.com/article/how-the-microwave-works/ https://www.electricity-magnetism.org/es/como-funciona-unmagnetron/#:~:text=El%20magnetr%C3%B3n%20opera%20bas%C3%A1ndose%20en,una%20traye ctoria%20circular%20o%20espiral.

https://engineerguy.com/elements/

https://www.britannica.com/science/plasma-state-of-matter https://www.sciencelearn.org.nz/resources/238-plasmas-explained

Por qué las uvas producen un plasma en un horno microondas - La Ciencia de la Mula Francis (naukas.com)

La gasolina que envenenó el mundo

2024-09-02T14:32:00Z

Autora: Dana Valentina Bayona Vega

No es un secreto que la contaminación es una de las mayores preocupaciones a nivel mundial. Se han creado leyes y organizaciones con el fin de frenar los índices de crecimiento de este fenómeno, pues las condiciones de vida de las próximas generaciones dependen de nosotros. Por desgracia, este problema aumentó en gran medida gracias a Thomas Midgley, un Ingeniero mecánico egresado de la universidad de Cornell que fue contratado por Charles Kettering para encontrar un compuesto que se pudiera añadir a la gasolina, con el objetivo de reducir el golpeteo de los motores. Después de muchas investigaciones y experimentos fallidos, Thomas encontró su respuesta en diciembre de 1921. El TEP (Tetraetilo de Plomo), un compuesto que, a pesar de su gran utilidad, trajo graves consecuencias para el mundo.

¿Por qué el TEP era efectivo?

Primero debemos saber que la gasolina es clasificada según su valor antidetonante, este último se mide haciendo uso de una escala llamada número de octano. Para realizar las pruebas de octanaje es necesario tener un combustible de referencia, normalmente se usa una mezcla de isooctano y heptano normal. Después de realizar la prueba, se asigna el número de octano según el porcentaje de isooctano que tenga la mezcla. Al añadirle TEP a la gasolina, su octanaje aumenta.

Entonces, surge una pregunta: ¿Por qué trajo consecuencias el uso de esta creación?

Esto se debió a que el plomo era expulsado por los tubos de escape, lo que ocasionaba que las partículas acabaran en el aire o fueran inhaladas por las personas. Este elemento tiene graves consecuencias para la salud, ya que puede afectar múltiples sistemas del cuerpo humano, tales como cognitivo y motriz. Esto se comprobó después de realizar pruebas a personas que fueron expuestas al plomo mientras estaban en el vientre, las cuales tuvieron dificultades de aprendizaje e incluso problemas para mantener el equilibrio.

Volvamos un momento a la época de Midgley para saber cómo fue que se descubrió que el TEP causaba tanto daño. Esa historia comenzó con la muerte de algunos trabajadores en las fábricas, sin embargo, no fue hasta que varios trabajadores comenzaron a tener alucinaciones y espasmos que comenzaron las investigaciones. Se realizó un interrogatorio al director de la planta, pero este negó que la causa fuera la exposición al tetraetilo de plomo. Con el tiempo, las plantas fueron adquiriendo nombres tales como “el edificio del gas de chiflados”. Ante tal situación, Midgley decidió hacer una demostración durante una conferencia de prensa. En este evento, Thomas inhaló su producto y se puso un poco de este en las manos. Sin embargo, tiempo después fue ingresado a un hospital por envenenamiento con plomo.

Una de las plantas fue prohibida después de que se reconocieran varias muertes a causa del TEP. Por desgracia, los esfuerzos por probar el daño que el TEP causaba no daban frutos, pues el rendimiento de la gasolina con este compuesto era incomparable, además de que Thomas tenía el respaldo de distintas entidades que negaban los daños de su invento. Esto provocó que comenzara a venderse esta creación en distintos países y que tuviera el suficiente éxito para otorgarle un premio a su creador.

Los investigadores de 1970 decidieron informar a la agencia de medioambiente de Estados Unidos de sus investigaciones sobre los efectos negativos del plomo, lo que logró que con los años los países empezaran a prohibir el uso de la gasolina con plomo, siendo japón el primero (1980) y Argelia el último (2021).

A pesar de las consecuencias de usar esta gasolina, hoy en día se permiten para los aviones y autos de competición.

¿Por qué en los autos de carreras?

Esto es porque los autos usados en competiciones tienen motores de compresión muy alta, lo cual hace que sea necesario usar una gasolina que tenga un octanaje superior a 100. Desafortunadamente, ese octanaje no lo tienen las gasolinas comunes. Para las competiciones es posible llegar a añadir 6g TEL/gal de plomo a la gasolina.

¿Por qué en los aviones?

Para los aviones existen combustibles que usan TEP para aumentar el octanaje, sin embargo, las cantidades añadidas son mínimas, siendo 6 ml de TEP por 1 galón de gasolina la máxima concentración de plomo posible.

A pesar de las ventajas de usar gasolina con TEP, existe un problema al usarla, el plomo deja residuos en los cilindros y las bujías de los motores. Para solucionar este inconveniente se añaden compuestos de bromo y fosfato de tricresilo a la gasolina. Los cuales transforman el plomo en sustancias con un punto de ebullición más bajo o en formas no conductoras, para así facilitar su expulsión con los gases de escape o su eliminación. La desventaja de usar un compuesto de bromo es que al hacer combustión con el TEP se produce bromuro de plomo, el cual en presencia de agua y metales produce líquidos corrosivos, por lo que el bromuro de plomo que no es expulsado del cilindro causa daños. Si no se usa el motor durante un tiempo prolongado el deterioro será peor. Dado esto, es necesario someter al motor a un tratamiento con el fin de conservarlo.

Referencias.

Kumar, Ashok, and Hamid Omidvarborna. 2018. “AIR POLLUTANTS AND THEIR SOURCES.” Chap. 3.1.3 in Handbook of Environmental Engineering. 1st ed., edited by Rao Y. Surampalli, Tian C. Zhang, Satinder Kaur Brar, Krishnamoorthy Hegde, Rama Pulicharla and Mausam Verma. New York: McGraw-Hill Education. https://www-accessengineeringlibrary-com.ezproxy.uninorte.edu.co/content/book/9781259860225/toc-chapter/chapter3/section/section4

Wild, Thomas W., and John M. Davis. 2023. “CHARACTERISTICS OF GASOLINE.” Chap. 6.1 in Aircraft Powerplants: Powerplant Certification. 10th ed. New York: McGraw Hill. https://www-accessengineeringlibrary-com.ezproxy.uninorte.edu.co/content/book/9781264564460/toc-chapter/chapter6/section/section2

Parkash, Surinder. 2010. “GASOLINE.” Chap. 3 in Petroleum Fuels Manufacturing Handbook: Including Specialty Products and Sustainable Manufacturing Techniques. 1st ed. New York: . https://www-accessengineeringlibrary-com.ezproxy.uninorte.edu.co/content/book/9780071632409/chapter/chapter3

Ingrid Lobet. (2021). El final de la gasolina con plomo tardó pero llegó. National geographic.

Gabriela A. Vázquez rodríguez. (2022). Crónicas del Antropoceno: el siglo del tetraetilo de plomo. Real sociedad de química española.

¿Cuántos caballos de fuerza tiene un caballo?: La medida de la potencia

2024-05-20T13:00:21Z

Autora: María Carolina Cantillo Orozco

¿Alguna vez te has preguntado cuántos caballos de fuerza tiene un caballo? Si nunca te has hecho esta pregunta, hoy tendrás tu respuesta.

¿Cuántos caballos de fuerza tiene un caballo?

Ahora bien, ¿qué relación existe entre los caballos, los motores, la revolución industrial y las máquinas de vapor? La respuesta se remonta a James Watt, inventor y químico escocés nacido en 1736. En su honor, se creó la unidad "Watt" (J/s), destinada a medir la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo, también conocida como "potencia". Seguramente habrás visto esta medida cada vez que compras una bombilla, utilizas el cargador de tu celular o adquieres un electrodoméstico. Pero ¿de dónde surge el curioso término "caballos de fuerza"?

James Watt

Esta medida surgió simultáneamente con la invención de la máquina de vapor, un invento que desencadenó una de las mayores revoluciones de la humanidad. Aunque el verdadero inventor de la máquina de vapor es parcialmente incierto, sabemos con certeza que su propósito inicial fue resolver un problema crítico de la época: ¿cómo extraer agua de las minas inundadas?

En aquellos tiempos, los europeos habían optado por reemplazar la leña por carbón, lo que exigía realizar excavaciones cada vez más profundas. Este cambio causaba inundaciones frecuentes en las minas al penetrar en las fuentes subterráneas de agua, lo que ponía en peligro la vida de los mineros. Abordando esta problemática, Thomas Savery, un ingeniero e inventor inglés, diseñó lo que él denominó una "máquina para elevar agua con fuego". Sus ideas y patentes quedaron registradas en el libro titulado "El amigo del minero" [1].

Minas de carbón siglo XVII

Savery había observado que un motor de vapor era capaz de realizar el trabajo no solo de los caballos que reemplazaba en un momento dado, sino también de aquellos que tendrían que ser mantenidos para una operación continua las veinticuatro horas del día. Posteriormente el ingeniero John Smeaton habría estimado de manera más precisa que el efecto mecánico que un caballo podía producir equivalía a 22916 libras levantadas un pie de altura en un minuto contra la fuerza de gravedad, dicho valor continuó en aumento hasta que se decidió por estandarizar la cifra en 33000 libras-pie por minuto para clasificar sus motores para la venta [2].

Trabajadores en las minas siglo XVII

A pesar de la notable mejoría por la que habría pasado el diseño de la máquina de vapor a través de los años, tanto la máquina de Savery como la planteada posteriormente por Newcomen presentaban un problema: su funcionamiento se basaba en calentar y volver a enfriar sucesivamente un tanque. Esto provocaba roturas, aparte de significar una pérdida energética que causaba un bajo nivel de rendimiento [2].


Diseño de Savery	Diseño de Newcomen

Cuarenta años después del fallecimiento de Newcomen, James Watt emprendió una misión para mejorar la eficiencia de la máquina de vapor. Al asistir a una charla sobre calor en la Universidad de Glasgow en 1765, observó que el modelo existente perdía una cantidad excesiva de calor entre ciclos debido al calentamiento y enfriamiento repetido de sus paredes. Decidió crear un sistema separado para condensar el vapor, reduciendo así la pérdida de energía y mejorando el rendimiento [2].

Diseño de Watt

Además, implementó una bomba de aire para mantener el vacío en el condensador y desarrolló un sistema de sellado por compresión en la parte superior del cilindro. Estas mejoras continuaron con el tiempo, culminando en la creación de un motor de doble acción en 1781. Este motor aplicaba vapor y vacío alternativamente a los lados opuestos del pistón, reemplazando el diseño anterior y aumentando la eficiencia energética [2].

Watt también introdujo innovaciones como el medidor de vapor de mercurio, un contador de ciclos y un dispositivo para mostrar gráficamente las presiones del cilindro. Esto continuó utilizando el vapor a temperatura atmosférica y el vacío parcial, pero a diferencia predecesor decidió crear un comportamiento separado para condensar el vapor, el cual se conectaba con el cilindro principal sin compartir el mismo espacio, ahorrándose así tres cuartos del combustible antes necesario [2].

Cuando James Watt creó y difundió su patente, se enfrentó al desafío de expresar la potencia de sus revolucionarios motores de vapor de manera comprensible tanto para clientes potenciales como para la sociedad de la época. En la era de la Revolución Industrial, el uso del vapor se había vuelto tan común que era necesario establecer estándares definidos para determinar la capacidad de estos motores.

Revolución industrial

Dado que el trabajo pesado solía ser llevado a cabo por animales, en particular caballos, la idea de utilizar la potencia de un caballo como referencia se volvió natural y familiar para la sociedad de aquel entonces. Por lo tanto, los caballos de fuerza se convirtieron en la unidad de medida ideal para expresar la potencia de los motores de vapor, sirviendo como un punto de referencia comprensible para la capacidad de estas innovadoras máquinas en comparación con el trabajo que los caballos podían realizar.

A pesar de su origen en el sistema inglés y la disminución en la presencia de caballos en las calles, el caballo de fuerza sigue siendo ampliamente utilizado en la actualidad. Y de hecho es común escuchar esta medida en la cotidianidad al referirnos a la potencia de los motores de automóviles, barcos o incluso ciertos electrodomésticos. Esto se debe al legado histórico de dicha unidad y la familiaridad con la que fue tomada en su tiempo.

Ojo, no confundir las unidades “caballos de vapor” (cv) con los “caballos de fuerza” (hp) aunque sean muy similares. Un caballo de fuerza difiere del caballo de vapor en la cantidad de fuerza aplicada por segundo, es decir, la fuerza que genera un hp es 1.39% más poderosa que la del cv, lo que equivale a 76 W. Por esto, podemos asegurar que un motor con 300 hp dispone de 304 cv [1].

Ahora que comprendemos mejor la historia y la importancia del caballo de fuerza como unidad de medida de potencia, es interesante ver cómo esta medida se relaciona con ciertos objetos. Por ejemplo, los carros de Fórmula 1 tienen motores que pueden alcanzar potencias que oscilan entre los 800 y 1,000 caballos de fuerza, lo que les permite alcanzar velocidades impresionantes y realizar maniobras de alta precisión en las pistas de carreras. Si bien la potencia de un perro varía según la raza y el tamaño, un perro de trabajo como un pastor alemán puede tener una fuerza equivalente a aproximadamente 0.1 caballos de fuerza. En promedio, un humano adulto puede desarrollar una potencia de alrededor de 0.1 a 0.2 caballos de fuerza durante un esfuerzo físico intenso, como correr o levantar objetos pesados. Un helicóptero típico puede tener motores con potencias que van desde los 500 hasta los 2,000 caballos de fuerza, lo que le permite elevarse y volar con carga útil y pasajeros.

Potencia de un carro de Fórmula 1

Finalmente, aunque pueda sorprenderte, un caballo no tiene necesariamente una potencia de un caballo de fuerza. De hecho, un caballo promedio puede desarrollar una potencia de alrededor de 10 a 15 caballos de fuerza, lo que le permite realizar una amplia gama de tareas físicas, desde tirar de cargas pesadas hasta correr a alta velocidad.

Un caballo tiene una potencia máxima de 15 caballos de fuerza

Esta corrección se debe al momento en que Watt introdujo sus mejoras en la máquina de vapor. Watt quería convencer a la gente de que comprara su costosa máquina. Si decía que su máquina tenía la misma potencia a corto plazo que un caballo, la gente no la compraría, ya que ya tenían caballos. En su lugar, la comparó con la cantidad de trabajo que un caballo podía hacer en un día, dándole un rendimiento equivalente al de diez caballos en lugar de solo uno. De repente, su invento se hizo mucho más tentador.

Aunque Watt haya "tergiversado la verdad" para hacer más atractivo su motor, no mintió, es cierto que la potencia máxima de un caballo es de unos 15 caballos de fuerza, cuando se promedia la potencia de un caballo a lo largo de una jornada de trabajo, acaba siendo de alrededor de un caballo de fuerza [4].

Referencias

[1] , T. Savery, The miner´s friend or raise water by fire, 1702.

[2] , R. S. Kirby, «Internet Archive,» 1956. [En línea]. Available: https://archive.org/details/engineeringinhis0000unse/page/158/mode/2up?view=theater.

[3] , F. Miller, «Caballos sde Fuerza vs Caballos de Vapor,» Autocosmos, 20 06 2012. [En línea]. Available: https://noticias.autocosmos.com.mx/2012/06/20/caballos-de-fuerza-vs-caballos-de-vapor#:~:text=Un%20Caballo%20de%20Fuerza%20difiere,Hp%20dispone%20de%20304%20CV.. [Último acceso: 3 05 2024].

[4] , University of Calgary, «Energy Education,» [En línea]. Available: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Horsepower#:~:text=Power%20of%20a%20horse,more%20than%20a%20single%20horsepower.. [Último acceso: 3 05 2024].

[5] , C. Lira, «Introductory Chemical Engineering Thermodynamics.,» 2013. [En línea]. Available: https://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/savery.htm.

[6] , T. Tietz, «Thomas Savery and the Invention of Steam Power,» 10 Mayo 2018. [En línea]. Available: http://scihi.org/thomas-savery-invention-steam-power/.

[7] , C. Marzzacco, «Charles Marzzacco,» Youtube, 13 Abril 2009. [En línea]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=lG899rZ58Ts.

[8] , P. Arce, «¿Cuántos caballos tiene un coche de Fórmula 1?,» Super Deporte, 08 02 2024. [En línea]. Available: https://www.superdeporte.es/formula1/caballos-coche-formula-1-97908560.html. [Último acceso: 3 05 2024].

La Robótica Industrial: Un Impulso para el Desarrollo Económico de Colombia

2024-05-13T13:30:32Z

Autor: Alberto Mario Olivares Ortega

Figura 1. Desarrollo de la Robótica en la industria colombiana

La industria manufacturera ha sido un pilar fundamental del desarrollo económico de Latinoamérica. Países como Brasil y Colombia, inicialmente basados en la producción primaria, adoptaron modelos económicos con enfoque industrial para fortalecer su participación en el mercado internacional. Esta transición, iniciada con una industria artesanal y evolucionando hacia una producción masiva a gran escala, ha impulsado el crecimiento y la generación de empleo.

Sin embargo, el desarrollo industrial no está exento de desafíos. El rezago tecnológico puede afectar la competitividad de las empresas y limitar el crecimiento económico. Colombia, en particular, enfrenta un reto significativo en este ámbito, ya que su influencia económica se ha visto afectada por no mantenerse al día con los avances tecnológicos.

La Robótica Industrial como Motor de Crecimiento:

Figura 2. Crecimiento de la robótica industrial en Colombia. Adaptado de: IA Colombia

La robótica industrial se presenta como una oportunidad para superar estos desafíos y reimpulsar el desarrollo económico. La automatización de procesos industriales ofrece una serie de beneficios, como:

Aumento del PIB: La adopción de robots en la industria puede aumentar el PIB de un país en un porcentaje significativo. Según un estudio del Banco Mundial, la automatización podría aumentar el PIB de Colombia en un 10% para el año 2030. El PIB es el indicador del producto interno bruto, este representa la cantidad de dinero que un país produce, este se calcula con el aporte de todos los sectores económicos. Los aumentos del PIB se pueden medir en puntos o en porcentajes, el sistema de puntos es el que se usa para los aumentos de corto y mediano plazo y usualmente es motivo de celebración para un país aumentar su PIB en un punto debido a que, esto implica que se recaudó en función de cientos de millones de pesos (en el caso colombiano) un mayor aporte de un sector. Para el caso de aumento de porcentajes, se proyecta para largo plazo y representa un aumento de ese porcentaje cada año [1].

Mejora de la productividad: Los robots pueden realizar tareas repetitivas con mayor precisión y velocidad que los humanos, lo que se traduce en un aumento significativo de la producción. Un estudio de la Asociación Nacional de Empresarios de Colombia (ANDI) encontró que la automatización puede aumentar la productividad de las empresas colombianas en un 25%. Este aumento se debe en su mayoría a que tareas repetitivas se pueden hacer por jornadas más largas y omitiendo las pausas que tendrían que realizar las personas durante parte de las jornadas. Este índice se refiere a la cantidad de productos terminados en el mismo intervalo de tiempo [2].

Reducción de costos: La automatización puede ayudar a reducir los costos de producción, lo que aumenta la competitividad de las empresas. Un estudio de la Universidad de los Andes encontró que la automatización puede reducir los costos de producción de las empresas colombianas en un 15%. Esto se refleja en su mayoría en el costo por producciones muy largas y por fallos humanos que requieran reemplazar piezas de la producción [3].

Aumento del recaudo por importaciones: La automatización puede aumentar el recaudo por importaciones de maquinaria y tecnología. Un estudio del Ministerio de Comercio, Industria y Turismo encontró que la automatización podría aumentar el recaudo por importaciones de Colombia en un 5% para el año 2030. Ya que la mayoría de los componentes que se necesitan para ensamblar y mantener los robots n se fabrican en Colombia, es lógico asumir que aumentarán estas aumentarán, cosa que es contemplada en el aumento del PIB [4].

Creación de empleos de alta calidad: La implementación de la robótica industrial generará nuevos empleos en áreas como la programación, la ingeniería, la operación y el mantenimiento de robots. Un estudio del Centro Nacional de Consultoría encontró que la automatización podría generar 50.000 nuevos empleos en Colombia para el año 2030. Estos empleos son empleos tecnificados que a su vez ayudan a potenciar otros sectores de producción puesto que la competencia por estos empleos ayudará a motivar los estudio universitarios de muchos jóvenes en aras de aprovechar etas nuevas oportunidades. [5].

La robótica industrial representa una oportunidad única para impulsar el desarrollo económico de Colombia. La automatización de los procesos industriales puede aumentar el PIB, mejorar la productividad, reducir costos, aumentar el recaudo por importaciones y generar empleos de alta calidad. Con el apoyo del gobierno, las empresas, las universidades y los centros de investigación, Colombia puede convertirse en un referente en la aplicación de la robótica industrial en Latinoamérica, generando beneficios para todo el país gracias al potencial que tiene el país en estos aspectos y con la ayuda de estos entes se logrará desarrollar y potenciar esta área en gran manera.

Referencias:

1. Banco Mundial. (2023). El impacto de la automatización en el PIB de Colombia. [https://www.bancomundial.org/es/about/annual-report](https://www.bancomundial.org/es/about/annual-report)

2. Asociación Nacional de Empresarios de Colombia (ANDI). (2022). Estudio sobre la productividad de las empresas colombianas. [https://andi.fi/portraits](https://andi.fi/portraits)

3. Universidad de los Andes. (2021). Análisis del impacto de la automatización en los costos de producción de las empresas colombianas. [https://uniandes.edu.co/](https://uniandes.edu.co/)

4. Ministerio de Comercio, Industria y Turismo. (2020). Proyecciones del recaudo por importaciones de Colombia para el año 2030. [https://www.mef.gob.pa/2022/09/proyeccion-conservadora-de-crecimiento-2022-sera-de-5/](https://www.mef.gob.pa/2022/09/proyeccion-conservadora-de-crecimiento-2022-sera-de-5/)

5. Centro Nacional de Consultoría. (2019). Estudio sobre la generación de empleo en Colombia por la automatización. [https://www.centronacionaldeconsultoria.com/](https://www.centronacionaldeconsultoria.com/)

AEROGENERADORES, UNA FUENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA EL BENEFICIO HUMANO

2024-05-06T13:30:32Z

Autor: Jerson Rodríguez Narváez

¿Alguna vez te has preguntado cómo convives con la electricidad?

Aún no lo sabes, pero la respuesta a este interrogante está frente a nosotros. De hecho, podríamos sumergirnos en un mar de preguntas y aun así saber con certeza que las respuestas siempre estarán ahí en un rincón escondidas esperando ser encontradas.

Todo se remonta tiempo atrás, hacia el año 200 a.C. en China, donde un gran puñado de la población usaba un modelo parecido de lo que son los aerogeneradores hoy en día, en su época llamados molinos de viento. Esto lo hacían con el fin de bombear agua en ciertos sectores de su población, tal como se hacía en el Medio Oriente, donde ya había molinos de viento de eje vertical con velas tejidas de caña que se usaban para moler grano.

Imagen 1: Molinos de viento antiguos (Fuente: Pixabay)

Ahora, demos un salto a finales del siglo XVIII. Estas máquinas empezaron a tener un auge, tanto que un 72% de todas las viviendas lo usaban, con el objetivo de bombear agua, las cuales se esparcieron por todo el mundo. No obstante, estas máquinas no fueron utilizadas únicamente para el bombeo de agua, sino también para la obtención de electricidad, ya que, del otro lado del mundo, en el Atlántico, estos dispositivos eran usados con ese fin.

En la década de los 80 se inició el desarrollo comercial de las primeras turbinas de entre 50 y 100 kW, como medida frente a la crisis del petróleo de la década de los 70 y a los impactos ambientales derivados del uso de combustibles fósiles.

En 1887, el científico estadounidense Charles F. Brush le mostró al mundo la primera “turbina eólica” generadora de energía eléctrica, como se puede apreciar en la siguiente imagen:

Imagen 2: Aerogenerador antiguo (Fuente: Siamens Gamesa)

Tiempo después, se fueron tomando nuevas alternativas y nuevas decisiones respecto a la creación de estas máquinas y fueron evolucionando. Hoy en día, este dispositivo cuenta con una amplia gama de actualizaciones, es mucho más eficiente que los anteriores y su productividad es increíblemente superior, teniendo diseños mucho más innovadores y compactos.

Imagen 3: Post en X (Fuente: Ørsted UK)

Tal y como se puede apreciar, estas máquinas han ido evolucionando con el paso del tiempo; y no solo eso, su diseño y su eficiencia también se han visto modernizadas respecto a sus predecesoras en términos de calidad.

Ahora en la actualidad los aerogeneradores se utilizan para convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. Estas máquinas funcionan aprovechando la fuerza del viento para hacer girar las palas que están conectadas a un eje central. Este movimiento rotatorio se transfiere a un generador que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Cuanto más fuerte sea el viento, más rápido girarán las palas y más electricidad se generará. Esta última puede ser utilizada para alimentar hogares, negocios e industrias, proporcionando una fuente de energía limpia y renovable. Lo mejor de todo es que estos dispositivos llevan consigo un bajo impacto ambiental, ya que la energía eólica no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes atmosféricos.

Es muy probable que la energía que estés usando para cargar tu iPhone, tus ordenadores y para el resto de quehaceres de tu hogar provenga de estos dispositivos. Hoy disfrutas de un beneficio que su proceso de obtención, transformación y distribución es sumamente complejo, pero que al momento de usarse se vuelve sumamente sencillo.

Este beneficio es posible gracias a la energía eléctrica generada por los aerogeneradores y esta se transmite inicialmente a una subestación eléctrica, donde se regula y se ajusta para su distribución a través de redes. En la subestación, la energía puede ser transformada a distintos niveles de voltaje y luego se distribuye a las locaciones requeridas a través de cables de distribución. Tal y como se puede observar en la siguiente imagen.

Imagen 4: Esquema de un parque eólico (Fuente: Greenpeace)

Los aerogeneradores en la actualidad representan un logro extraordinario de la ingeniería moderna, fusionando la innovación tecnológica con la sabiduría del diseño para aprovechar una de las fuentes de energía más abundantes y sostenibles de la naturaleza: el viento. Por lo que es de suma importancia y nos condiciona a todos nosotros a depender de ella.

Queda claro que los aerogeneradores desempeñan un papel fundamental en nuestra vida cotidiana para la transición hacia un futuro más sostenible y respetuoso con el medio ambiente, puesto que hemos visto cómo estas majestuosas estructuras se alzan como pilares de la energía renovable, desde sus orígenes hasta su impacto en la actualidad.

REFERENCIAS

De La Plaza, I. M. (2023, June 13). Energía eólica del origen a la II Guerra Mundial | OpenMind. OpenMind. https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/innovacion/historia-energia-eolica-origen-ii-guerra-mundial/; con acceso el 26/04/2024.
Greenpeace. (n.d.). Energías renovables | Greenpeace España. Greenpeace España. https://es.greenpeace.org/es/trabajamos-en/cambio-climatico/energias-renovables/; con acceso el 26/04/2024.
Descubrimos a los precursores de la energía eólica |Siemens Gamesa | Día del inventor. (n.d.). https://www.siemensgamesa.com/es-es/descubrir/revista/2019/11/siemens-gamesa-inventors-day; Con acceso el 26/04/2024.

PRIMÍPAROS Y OTROS CONSEJOS

2024-01-25T12:30:25Z

Por: División de Investigación y Producción

Jorge Isaac Ahumada, Director - Juan Camilo Oñoro, Subdirector

Primer semestre, todos hemos estado ahí. Es una de esos eventos que nos marcan nuestra vida, ya sea porque estás estudiando lo que te apasiona o porque preguntaste dónde estaba un determinado salón y te enviaron al otro lado del campus, o cómo olvidar los nervios antes de la primera clase, que a veces son tan grandes que nos preguntamos si de verdad acabamos de tener la primera experiencia universitaria oficial. Sea cual sea tu caso, desde la división de Investigación y Producción -con recomendaciones de muchas personas- decidimos hacer este blog para ayudarte a dar tus primeros pasos en la universidad de la mejor manera posible.

Eventos canon y anécdotas:

-Los que cursamos Procesos de fabricación sabemos lo demandante que puede ser en cuanto a tiempo y dedicación. Una de las cosas que recordamos con más cariño (o más temor, algunos) fue esa noche donde armamos nuestros moldes de fundición para el día siguiente. Tuvimos que sacar a relucir la creatividad y el ingenio que nos caracteriza como profesionales, desde cajas improvisadas con remaches hasta mazarotas hechas con latas de desodorante, actos que harían que el profesor se cuestionara la teoría del “Groover”.

-Si eres una chica quizás en algún punto habrás escuchado “pa qué vas a estudiar mecánica si es una carrera de machos” te daré un consejo; hazte la sorda y sigue de largo. No te voy a mentir, la mayoría de tus compañeros serán hombres, te lo dice una chica que fue la única en un curso de inducción con puros pelaos y se sintió como el bicho raro pensando “¿En dónde me vine a meter?”. Date la oportunidad de conocerlos y te aseguro que encontrarás amistades que nunca pensaste tener, además habrá otras chicas que también se sentirán como tú y con las que podrás tomarte un respiro de vez en cuando. Al inicio, es normal sentirte un poco excluida o incluso hasta intimidada por ser una minoría, te aconsejo rodearte de gente (hombres, mujeres o con quién te sientas cómodo) que te valoren como compañera y que nunca busquen disminuirte ni subestimarte, tanto dentro como fuera del salón. Aunque para un primíparo pueda sonar imposible, que no te de pena alzar la mano en clase, hablar con los profesores o simplemente dar tu opinión en tu grupo de compañeros; tu criterio, como el de todos, merece ser respetado. Atrévete a desafiar las expectativas porque el futuro de la ingeniería mecánica no se trata de género, sino de mentes brillantes trabajando juntas para cambiar el mundo.

-El primer corte de dinámica. En esta asignatura aprenderás sobre mecanismos, barras deslizantes, posiciones en eslabones y mucho más. El evento canon consiste en que clase a clase te preguntarás qué acabas de ver. Pasarás mucho tiempo estudiando para el primer parcial y a veces pensarás que cada vez estás más perdido. Si te llega a pasar, no te desesperes, estudia y esfuérzate mucho, que hasta el mismo Víctor Pugliese no entendió dinámica la primera vez que la dio, y más de un estudiante seguro le habrá dicho: “profe, cada vez entiendo menos”.

-Tener las unidades y la inercia mal. Cuando empieces a dar física mecánica, una de las primeras cosas que debes aprender es a leer las unidades. Muchos experimentan su primer evento canon cuando tienen todo el ejercicio bien y al final en vez de usar la gravedad como 32,2 porque estás en sistema inglés la usas como 9,8. A otros les llega en estática o mecánica de sólidos cuando confundes las inercias y arrastras el error por todo el ejercicio.

Consejos académicos:

-Únete a los grupos estudiantiles y grupos de investigación. Muchas veces nos preguntamos qué es lo que buscan las empresas o en qué se fijan los psicólogos laborales a la hora de entrevistar a una persona para un puesto de trabajo. Muchas veces se piensa que con el simple hecho de haber ido a la universidad será suficiente y tendremos un empleo casi que asegurado. No obstante, la realidad no es esa. En el mundo real las personas deben destacar y tener factores que los diferencien de los demás. Al unirte a estos grupos, tendrás la oportunidad de adquirir habilidades nuevas que no se encuentran en los salones de clase, podrás conocer personas con intereses similares y tendrás nuevas relaciones y conexiones que te pueden ayudar en el futuro. Ten en cuenta que muchos profesores tienen a su cargo grupos de investigación con desarrollos en curso que buscan participantes.

-Asiste a las monitorias y/o tutorías de esa asignatura que te cuesta. Las monitorias o tutorías son “clases extra” a las que puedes ir si quieres reforzar las cosas aprendidas dentro del salón de clases. También son espacios idóneos para consultar dudas sobre un tema de la asignatura en cuestión. Son normalmente impartidas por estudiantes que cuando cursaron la materia se destacaron y son recomendados por su docente para desempeñar ese papel. Lo mejor de todo es que: ¡no tienen costo!

-Adelanta Ciencia de los materiales. Este concejo es posiblemente uno de los más importantes de acuerdo con la malla actual. Esta asignatura está programada para ser cursada en tercer semestre, no obstante, si en tu primer semestre lograste aprobar todos tus cursos, tendrás unos cuantos créditos libres que te pueden servir para adelantar materias en el segundo semestre. Ciencia de los materiales es el primer acercamiento que tienes a tu pregrado, descubrirás lo maravilloso que puede ser el mundo de los materiales abordado desde el punto de vista de un ingeniero mecánico (e industrial). Independientemente de si tienes tu clase con la profesora Ana o con el profesor Humberto, aprenderás importantes conceptos y tendrás las bases para asignaturas posteriores como Ingeniería de materiales, Mecánica de Sólidos o la infame Procesos de fabricación.

Consejos sociales:

-Diviértete. Sabemos que la universidad es un entorno en donde se puede generar mucho estrés. Pero recuerda, sobre cualquier cosa, ERES UNA PERSONA, es normal sentirse abrumado en ocasiones, es por ello que debes tener un balance: debes estudiar para cumplir tus objetivos, pero también debes tener espacios de diversión, en los que te rías con tus compañeros de clase, donde te dejes todo en un partido de voleibol o simplemente una buena comida con amigos después de un parcial.

-Dentro de los muchos servicios de los que dispone la universidad, puedes encontrar asesoría psicológica y orientación académica. En caso de necesitarla, puedes acudir a los canales habilitados para ello (puedes encontrarlos a través de la página web o desde la app Uninorte.co) y agendar tu cita.

-Sabemos que la estancia en la universidad en ocasiones puede ser muy larga por los huecos entre clases, por lo que algunas veces tendrás que esperar hasta después de medio día y te puede dar hambre. Si no llevas tu almuerzo desde casa, puedes comer en la u. Tip extra: ten en cuenta que si buscas un almuerzo económico lo mejor es ir al Dunord Plaza, te recomendamos el menú diario o las pastas to go, también puedes ir al Dunord Express y comprar una caja de almuerzo que varía con el día.

Recopilación rápida:

-Certifíquense en programas como SolidWorks, Rhino, Revit, Inventor y Excel. Si te interesa la rama de proyectos es recomendable PMP.

-Trabajen en mejorar su redacción. En especial la de correos electrónicos. Será vital en el mundo laboral. Sean capaces de poder comunicarse con empresas reales de ser necesario.

-Aprendan un lenguaje de programación.

-Tener un perfil profesional claro. La vida laboral no es como la académica. Si quieres destacarte en un determinado campo, debes especializarte y hacer estudios de posgrado.

-Aprovechen las actividades extracurriculares, la universidad brinda muchas más oportunidades que las clases. Esas experiencias pueden mejorar su formación integral.

-Aprendan a organizar su tiempo y creen hábitos de estudio.

-Pidan ejemplos de aplicación a sus profesores sobre los temas que están viendo, la sola teoría no es suficiente.

-Para los que desean hacer intercambios o doble titulación, investiguen y hablen con el coordinador de su programa (para ING MEC, es la Ingeniera Ana Mercedes Lugo, la pueden encontrar en el bloque K, piso 7). Muchas veces se pierden oportunidades porque no cumplen con los requisitos específicos.

-Hagan buenas relaciones y tengan contactos con muchas personas.

-Si sientes que esta carrera no es la mejor para ti después de primer semestre, no tengas miedo a cambiarte. Debes estar conforme con tu elección y saber que la universidad tiene espacios habilitados para estos casos.

-No pases desapercibido. Puede que en algún futuro necesites una carta de recomendación de un docente o una introducción a la industria.

-Y algo para cerrar: un buen ingeniero no es el que siempre saca 5, ni el que le va bien en todo, lo que en realidad caracteriza a uno es que a pesar de sus errores es capaz de aprender y mejorar cada día.

Sin mucho más que decir, les deseamos un feliz inicio de semestre y un excelente comienzo para su futuro profesional.

¿Por qué Da Vinci no pudo volar?

2023-10-20T19:00:07Z

Por: Alberto Mario Olivares Ortega

Si hablamos de ingeniería aeroespacial y sus momentos más destacados en la historia fácilmente, sale a colación los 12 segundos de vuelo de los hermanos Wrigth o la hazaña de Amelia Earhart al ser la primera piloto en atravesar el Atlántico en solitario. Después de todo, el sueño de los humanos de volar se remonta al mito de Ícaro en la Antigua Grecia, pero un momento que realmente cambió la historia de la ingeniería aeroespacial fue el primer modelo de una máquina voladora diseñada por Leonardo Da Vinci, el cuál tristemente nunca hubiese podido volar.

Figura 1: Máquina voladora de Da Vinci. Tomado de: Un repaso por los inventos de Da Vinci a 500 años de su muerte, Ámbito (2019)

La máquina voladora de Da Vinci es lo que se conoce como el helicóptero más antiguo de la historia. Su modelo tenía 2 problemas graves, siendo estos que diseñó la hélice con una orientación que no crearía una fuerza de sustentación, sino que lo empujaría hacía el suelo y no diseñó un sistema de control aéreo, siendo que lo más similar a un sistema de control de vuelo eran unas pesas a los costados que podrían ser soltadas para darle dirección. A pesar de ello, su idea dio paso al avance tecnológico que nos concierne, el rotor.

Figura 2: Rotor de helicóptero. Tomado de: Wikipedia.org

¿Qué es un rotor?

El rotor hace referencia al elemento móvil de una máquina giratoria, cuyo movimiento puede ser en torno a su eje propio, como es el caso de motores eléctricos, o bien, puede ser un movimiento compuesto de rotación y de revolución en torno al eje, como en el caso de los sistemas de pistón en los motores en V.

La Fuerza de sustentación

Se denomina de esta manera a la reacción que tiene un fluido debido a una diferencia de presión. Para la aeronáutica esa diferencia de presión se debe al efecto Bernoulli, el cual relaciona la presión de un punto del flujo (en nuestro caso aire) con la velocidad a la que este fluye manteniendo la relación entre estás 2 variables constante, que para efectos de los rotores se ve cuando las paletas de las hélices giran a alta velocidad haciendo que arriba de estas el aire no ejerza tanta presión como en la parte inferior.

Figura 3: Fuerza de sustentación. Tomado de: mecanicadefluidos10b.blogspot.com

¿Por qué no solo uno?

Llegados a este punto esta pregunta debe de estar circulando en su mente. Bueno, la respuesta viene de mano de uno de los físicos más influyentes de la historia: Sir Isaac Newton. Entre sus postulados más conocidos están las leyes del movimiento, específicamente la tercera ley, las cuales nos hablan de cómo se rigen las interacciones entre cuerpos.

Para este caso nos enfocaremos en la acción y la reacción, siendo esta la antes mencionada tercera ley, cuando el rotor hace girar las hélices en sentido antihorario estás generan un torque en dicha dirección, pero a su vez genera una reacción por parte del fuselaje que termina por girar al lado opuesto en la misma medida. El movimiento resultante de esta situación sería de rotación alrededor de su eje, para evita esta situación y permitir así que los helicópteros puedan suspenderse en el aire, se introduce un rotor cuyo efecto sea opuesto al principal. Algunas de las soluciones más comunes son las siguientes:

Rotor de cola: esta es la configuración más reconocible de todas, consta de agregar un rotor a la altura del fuselaje, este rotor se sitúa en una prolongación de este mismo que se extiende a una mayor distancia de las hélices principales, su efecto es un empuje perpendicular a la dirección de giro de este contrarrestando así la reacción del fuselaje.

Figura 4: Rotor de cola. Tomado de: ciencia.estudiaeneuropa.eu

Rotor encapsulado: las mayores diferencias de esta configuración respecto a la anterior radican en la protección que reciben las paletas, las cuales dejan de estar expuestas, y la disminución del ruido que realizan al funcionar.

Figura 5: Rotor encapsulado. Tomado de: TMAS Aviación

Sistema NOTAR: esta configuración recibe su nombre de la abreviatura en inglés para no tail rotor que significa sin rotor de cola. Este funciona con una corriente de aire a alta presión que es expulsada desde la cola por acción de un ventilador de alta potencia que es desplazado por el motor del helicóptero.

Figura 6: Sistema NOTAR. Tomado de: TMAS Aviación

Rotores gemelos en tándem: esta configuración destaca por ser usada mayoritariamente en helicópteros de carga pesada. Consta de usar dos rotores principales que giran en direcciones opuestas, esto con el fin de anular las reacciones provocadas por cada uno, estos 2 rotores se encuentran en la mayoría de los casos a la misma altura y distancia del centro del helicóptero.

Figura 7: Rotores en tándem. Tomado de: Wikipedia.org

Rotores gemelos coaxiales: esta configuración destaca porque usa el mismo principio del caso anterior, pero usando un para de rotores en el mismo eje. Este sistema no es usado para carga pesada debido a que se usa mayormente en helicópteros de alta velocidad y maniobrabilidad como los primeros tres casos.

Figura 8: Rotores coaxiales. Tomado de: Aviaciononline defensa

Con esto vemos que la aeronáutica moderna le debe mucho al diseño de Da Vinci. A pesar de no ser un diseño funcional, logró cimentar las bases para lo que después conoceríamos como helicóptero, además la invención del rotor vino para suplir los problemas de diseño que se detectaron tiempo después de probar la funcionalidad de este diseño original. Da Vinci nunca pudo volar debido a que él no vivió en una época donde el aire era comprendido de mejor manera, sin dejar de reflejar su genialidad, debido a que se adelantó a las ideas que vendrían muchos años después.

Referencias

Bardón, I. (2019). Máquinas voladoras de Leonardo da Vinci. Aertec.

Helloauto. (s.f.). Obtenido de helloauto.com: https://helloauto.com/glosario/rotor

Olmo, M., & Nave, R. (s.f.). Ecuación de Bernoulli. Obtenido de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/pber.html

TMAS divulgación aeronáutica. (s.f.). Tipos de rotores de helicópteros. Obtenido de https://www.tmas.es/blog/helicopteros/tipos-de-rotores-de-helicopteros/

Friswell, M., Penny, J. E. T, Garvey, Seamus D, & Lees, Arthur W. (2010). Dynamics of rotating machines (Primera edición.. ed., Colección Cambridge aerospace series (Cambridges University) ; 26). Cambridge, United Kingdom: Cambridge University.

Perovskita: El Camino a la Eficiencia energética

2023-10-20T18:30:07Z

Por: Nicole Carolina Espinel

La competencia en el mundo energético incrementa tan rápido como las tecnologías y las necesidades de la humanidad por las alternativas sostenibles. En el mercado hay numerosas propuestas, pero actualmente van punteando con ventaja los paneles solares de silicio, con unas eficiencias del 16 % y alrededor de 50 años de investigación y desarrollo. No obstante, en esta carrera se puede divisar a un candidato a nuevo favorito, las celdas de perovskita para paneles solares. Esta alternativa reemplazaría a las celdas de silicio de forma más eficiente, alcanzando alrededor del 23%, superando por casi 5 puntos a las celdas tradicionales.

Pero... ¿Qué es el perovskita?

Este material es un mineral con estructura cristalina y es relativamente raro en la corteza terrestre. Su estructura es ABX3, donde A y B son cationes metálicos de diferente tamaño y X es un ion no metálico, siendo el más común el oxígeno [4]. Su estructura ideal es simétrica con el átomo A central, el B en las esquinas y los átomos X en las aristas del cubo, tal como se describe en la figura.

Figura 1. Representación estructura tipo perovskita. Tomada de Hazen, R. M. 1988. Perovskites. Scientific American.

La gran ventaja de la estructura tipo perovskita es que puede ser recreada en laboratorio con elementos como el bario, cobre, oxigeno, manganeso, carbono entre otros. Donde con la combinación de los metálicos con un no metálico y la estructura tipo perovskita, como se mencionó anteriormente, se forman las llamadas perovskitas hibridas orgánicas- inorgánicas con propiedades como el magnetismo, ferro-electricidad y superconductividad. El tener la posibilidad de ser recreado con materiales y procesos de relativamente bajo costo, le otorga a sus cualidades un valor extra.

Ventajas y desventajas

Como ya se ha visto, el perovskita es un material altamente competitivo, que abriría las puertas a un nuevo horizonte donde se divisa la mayor eficiencia energética con el menor costo de producción, permitiendo que las energías sustentables estén al alcance de todos. Otro punto positivo, que va más allá de sus costos, es la coherencia del material con su propósito, pues los procesos de producción resultan ser poco contaminantes, convirtiéndolo en una materia prima ideal para los procesos sustentables. Finalmente, resulta muy versátil, pues surge de composiciones químicas diferentes, lo que permite tener una gama más amplia de prueba para obtener las combinaciones más eficientes.

Desafortunadamente el material perfecto aún no existe, y este compuesto presenta grandes desventajas que le impiden posicionarse en una escala más alta frente a sus competidores. Uno de estos inconvenientes es su vida útil, pues pese a ser muy competitivo en términos de eficiencia, se deteriora rápido, y más aún en contacto con el ambiente; su desgaste es alto en un tiempo relativamente corto frente a otros materiales.

Su mayor competidor: El silicio

A lo largo de esta redacción ha sido imposible no mencionar al rival más fuerte, por el momento, el silicio. Es el segundo material más abundante sobre la tierra, pero rara vez se muestra en su estado puro, por lo que se debe hacer una serie de procesos para su obtención. Los procesos de extracción y purificación suelen volver a este material en una inversión un poco costosa, pero de muy buena calidad, tal que, podría considerarse el material más requerido en la industria electrónica incluso llegando a ser llamado por algunos “el semiconductor por excelencia”. Actualmente suele usarse en el campo energético para la construcción de celdas fotovoltaicas con eficiencias alrededor del 16%, sin embargo, como pasa con todos los semiconductores tienen un “limite” para absorber la energía, llamada banda prohibida, y lo que reciben de energía por encima de este límite se podría decir que es “mal absorbida” provocando algunos efectos no deseados sobre la celda. Este concepto se explica mejor en la siguiente figura:

Figura 2. Diagrama Absorción de energía por las células solares de silicio. Tomada de BBVA Open Mind

Hay algunas formas de ampliar el límite de este espectro para obtener un mayor rendimiento de absorción, como las celdas multiunión, sin embargo, sus costos se incrementan considerablemente; tanto que actualmente tienen un reducido uso, siendo uno de ellos en la industria aeroespacial que utiliza esta forma de celdas para los paneles de los Roberts y la estación internacional espacial.

Con esta pequeña descripción del silicio entendemos por qué los bajos costos del perovskita son tan atractivos, pues el silicio, si bien ha sido la alternativa más funcional hasta el momento. Encontrar un reemplazo que haga lo mismo por menos precio, o mejor que haga más por menos es un hallazgo maravilloso.

Proyecciones a futuro del perovskita

La historia de este material es tan interesante como su funcionalidad, pues explicada brevemente ha sido una de las tecnologías que mayor avance ha tenido en pocos años. En 2009 se conocieron por primera vez investigaciones que anunciaban una baja eficiencia (3.8%), en 2012 se incrementó a un 10%. Un aumento así en un periodo de tiempo corto despertó el interés de los científicos e inversionistas que no se equivocaron al seguir trabajando con este compuesto, pues en 2014 estableció un récord del 20% de eficiencia incrementando estudio tras estudio hasta llegar al récord actual de 25,6%. Es por esto que la investigación en este marial promete, ya que los esfuerzos en investigación y mejora del material se han visto reflejados en el avance de esta tecnología, lo que indica un buen pronóstico para futuras investigaciones.

Figura 3. Avance de la eficiencia del perovskita comparado con otras tecnologías emergentes. Tomada de BBVA Open Mind

Actualmente se busca mejorar su problema principal de desgaste, se está analizando el incrustar estabilizadores y materiales que la protejan, sin embargo, estas investigaciones avanzan un poco lento. El principal proyecto ahora se centra en juntar el perovskita y el silicio para usar paneles conjuntos que puedan alcanzar una mayor eficiencia sin perder calidad ni vida útil

En conclusión, el perfeccionamiento de este material puede ser uno de los hallazgos más importantes para la industria, pues le daría un enfoque más accesible a la energía solar, abriendo una ventana de posibilidades alcanzables y sostenibles, pero, mejor aún, la riqueza de este material no se queda solo en él, sino en la posibilidad de ser combinado con el silicio convirtiéndolos de rivales a complementos que pueden brindar una mayor eficiencia con menor costo y riesgo de desgaste.

Sin dudarlo el descubrimiento e investigación del perovskita es asombrosa y nos deja muy expectantes a su avance y uso competitivo, pues de salir de la forma adecuada podría revolucionar la sostenibilidad energética, que justamente es donde deben estar enfocados los esfuerzos del hombre para construir un futuro digno, limpio y amigable.

Referencias

Berry, J. (1970, enero 1). El reto de la perovskita para adaptarse al mundo y revolucionar la energía solar. MIT Technology Review. https://www.technologyreview.es//s/14239/el-reto-de-la-perovskita-para-adaptarse-al-mundo-y-revolucionar-la-energia-solar

Cómo se produce la Perovskita. (2020, mayo 27). Ingenieriaquimica.net. https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/454-como-se-produce-la-perovskita

de la Plaza, I. M. (2022, octubre 26). Células solares de perovskita, una fulgurante historia de éxitos. OpenMind. https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/innovacion/celulas-solares-de-perovskita-historia-de-exitos/

Equipo Grupo Sinelec. (2018, febrero 22). ¿Qué es la perovskita? Gruposinelec.com. https://blog.gruposinelec.com/actualidad/que-es-la-perovskita/

Hazen, R. M. (1988). Perovskites. Scientific American, 258(6), 74–81. http://www.jstor.org/stable/24989124

Zhao, X., & Park, N.-G. (2015). Stability Issues on Perovskite Solar Cells. Photonics, 2(4), 1139–1151. MDPI AG. Retrieved from http://dx.doi.org/10.3390/photonics2041139

LA MÁQUINA DE VAPOR, EL GRAN INVENTO DE LA ÉPOCA MODERNA

2023-09-22T19:00:11Z

Escrito por: Juan Camilo Oñoro Araujo

Máquina de vapor de Watt. Tomado de BBVA Openmind

Seas o no una persona que se interesa por las máquinas, es indudable que alguna vez cuando te mencionaron dicha palabra pensaste inmediatamente en cosas muy llamativas como lo es un computador, un auto, tal vez un microondas o incluso un simple ventilador, pero alguna vez has tenido la duda, ¿cómo llegamos a eso?, ¿cómo es que fuimos capaces de entenderlas y luego crearlas? Porque sí, para llegar a nuestro estado actual, un tiempo en donde casi todo lo que hacemos está relacionado con un tipo de máquina, no pudo haber existido -o tal vez no de la misma manera- sin antes lograr crear lo básico, algo que nos facilitara el trabajo manual; algo que nos trajera al futuro. Si no lo habías pensado de esa manera, déjame decirte que tiene nombre: la máquina de vapor.

La historia de este interesante artefacto se remonta a varios siglos atrás, puesto que se tiene información que relaciona a personajes como Herón de Alejandría, un matemático griego, con la máquina de vapor. Esta consistía originalmente en una pequeña esfera fabricada con metal que giraba debido a que expulsaba vapor por unos conductos en forma de “L”. No obstante, para esa época no se le pudo encontrar un uso razonable, por lo que solo se veía como un juguete para pasar el tiempo.

Vieja máquina de vapor. Tomado de: Curistoria

Desplazándonos varios cientos de años en la historia, finalmente llegó Thomas Newcomen, que se suele considerar como la persona que recopiló todas las ideas anteriores a él y logró crear la primera máquina de vapor funcional en 1712 que, en ese entonces, ya había encontrado usos convenientes, en este caso, a modo de bomba extractora de agua en minas.

No sería hasta medio siglo más tarde (entre 1764 y1765) en el Reino Unido, en que un joven James Watt, recordado inventor al que le debemos la unidad de potencia mecánica “Watts”, sería el encargado de reparar y mejorar el invento de Newcomen, el cual tenía un problema de pérdidas provocado por la inyección de agua en el pistón, solicitando para ello ayuda a John Wilkinson, un fabricante de herramientas y máquinas.

Al finalizar sus investigaciones, no solo logró solucionar el problema mencionado, sino que además mejoró enormemente la eficiencia y la forma de trabajar del artefacto, introduciéndole mejoras como la producción de movimiento rotatorio, un pistón de doble acción, el indicador de presión y un control centrífugo automático de la velocidad. Así, casi a inicios de 1770, James consiguió patentar un modelo realmente eficaz de esta máquina. Después de ese éxito comercial, no fue mucha la espera para que acumulara riqueza y lograse un mayor reconocimiento. Invento tras invento e historia tras historia, James Watt se hizo un nombre importante, el de alguien que logró muchas cosas, sin embargo, nada se podía comparar con lo que consiguió con la máquina de vapor.

Antigua máquina de Newcomen. Tomado de: Cuaderno de Cultura Científica

Bien, ahora ya conocemos la historia, pero… ¿cómo funciona?

Se puede empezar mencionando que debemos su funcionamiento gracias al aprovechamiento de la energía térmica para su posterior conversión en energía mecánica. Dentro del dispositivo hay dos cámaras principales de las cuales viene todo su esplendor. La primera, es una caldera la cual se calienta para que aumente su temperatura. La segunda, es un depósito que suele estar lleno de agua, este depósito se coloca de manera tal que, al calentar la caldera, esta última le transfiera calor y así lograr que el agua contenida en el depósito se empiece a calentar también y, después de un tiempo, que dicha agua se evapore. El agua, ya convertida en vapor, va a empujar un pistón que estará conectado a un mecanismo que generará trabajo debido a la expansión del gas, generalmente tratándose de una polea y un balancín. Adicionalmente, con las mejoras realizadas por James Watt, parte del vapor es reutilizado cuando pasa a otro conducto en el cual se condensa, iniciando el ciclo otra vez.

Esquema de la máquina de vapor. Tomado de: IES Santa Bárbara

Con todo eso en mente, podemos decir que la máquina de vapor es, sin lugar a dudas, uno de los inventos más importantes de la ingeniería y la ciencia, al mismo nivel que la rueda, la radio o los ordenadores. Con ella se podría decir que se inició la primera gran revolución industrial, pues era capaz de realizar cosas las cuales un humano, con o sin ayuda de tracción animal, no podría por limitantes físicos. Aportó potencia y un incremento en la productividad de las activades que realizaban todas las industrias, como la minera, la de transporte, la agraria, entre muchas otras. Hoy en día, la máquina de vapor no es usada, puesto que fue reemplazada por cosas más potentes como son los motores de combustión interna y los relativamente nuevos motores eléctricos. A pesar de todo esto, su legado se sigue viviendo, fue el principio de algo que todavía sigue evolucionando y creciendo.

Referencias:

Máquina de vapor. (s. f.). https://www.edumedia-sciences.com/es/media/642-maquina-de-vapor

Orígenes históricos del empleo tecnológico del vapor (1). (s. f.). Interempresas. https://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/8329-Origenes-historicos-del-empleo-tecnologico-del-vapor-(1).html

Rodríguez, D. (2022, 25 de junio). Thomas Newcomen. Lifeder. https://www.lifeder.com/thomas-newcomen/

RTVE.ES. (2021, 24 febrero). James Watt, el origen de la revolución industrial. RTVE.es. https://www.rtve.es/noticias/20110211/james-watt-maquina-vapor-origen-revolucion-industrial/404679.shtml

Sabadell, M. Á. (2022, 20 de diciembre). James Watt no inventó la máquina de vapor. Muy Interesante. https://www.muyinteresante.es/ciencia/52421.html

Desatando el poder del sol:El Camino hacia la Fusión Nuclear

2023-08-18T22:10:32Z

Por: Juan David Díaz y María Carolina Cantillo

“¿Quiénes son los pioneros de la fusión que pretenden, como Prometeo, robar a los cielos el secreto del fuego? ¿Los individuos lo bastante audaces -algunos dirían "lo bastante locos"- como para intentar traer la energía de las estrellas a la Tierra?”

-Arthur Turrell

The Star Builders

El desarrollo y los avances tecnológicos que han llevado a la humanidad a niveles antes inimaginables no siempre han sido impulsados por buenas razones, de hecho, tan solo el siglo pasado fueron impulsados por las guerras mundiales, la carrera espacial y la constante amenaza nuclear. Todo parece indicar que son los momentos de vida o muerte los que llevan a los científicos y gobiernos a apuntar hacia la investigación y el desarrollo, pero lo de ver quién llega a la luna primero ya es cosa del pasado ahora la carrera es de tipo energética y lo que importa es ver quién tendrá la mejor solución para salvar el planeta antes que sea demasiado tarde. Entre las principales alternativas en desarrollo podemos destacar tres: las energías renovables, la fisión y la fusión nuclear.

A manera de comparación:

Las energías renovables se centran en tomar los recursos naturales ya existentes que pueden reponerse más rápido de lo que llegan a consumirse como son el agua, el aire, el sol o el oleaje. Por otro lado, tenemos la fisión y la fusión: la primera se basa en dividir el núcleo de un átomo en núcleos más pequeños, contrario a lo que ocurre en la segunda donde se unen dos núcleos de átomos ligeros para producir uno más complejo.

De la tres, hasta hace poco la menos desarrollada era la fusión nuclear pero las cosas están cambiando. A finales del año pasado (2022) pasó a ser el centro de atención cuando rompió un récord importante en la carrera energética, por primera vez los científicos habrían logrado la Ignición.

Resulta que la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos (NIF), conocida como la mayor instalación de fusión nuclear del mundo, utilizó 192 láseres para lanzar 2,05 MJ de energía sobre un cilindro de oro del tamaño de un grano de arroz obteniendo unos 3,15 MJ de energía de vuelta, es decir salió un 54% más energía de la que entró en la reacción, y más del doble del récord anterior de 1,3 MJ [1]. A este fenómeno se le conoce como ignición y ocurre al crear una reacción nuclear que de cierta manera “genera más energía de la que consume”.

Ilustración 1. Gráfica de razón de energía eléctrica producida / energía térmica saliente.

¿Pero entonces el NIF estaría rompiendo las bases de la conservación de energía?

En realidad, no. En este espacio desarrollaremos los conceptos principales y cosas a saber sobre la revolución energética que significaría aplicar la fusión nuclear como método alternativo, pero antes:

¿Cómo se lleva a cabo la fusión nuclear?

El principio fundamental de la fusión nuclear es la combinación de los núcleos atómicos de dos átomos formando un único átomo de un elemento más pesado. Como se mencionó anteriormente, este proceso es el que permite la existencia misma de las estrellas, cuyos combustibles son los átomos de hidrógeno que se fusionan en su interior para formar partículas de helio, desprendiendo inmensas cantidades de energía y calor en el proceso, procedentes de la energía interna de los átomos.

Llevarlo a cabo suena realmente sencillo, pero posee sus dificultades, especialmente en la superación de las fuerzas de repulsión ejercidas por los núcleos atómicos (recordemos que el núcleo de un átomo se compone por protones y neutrones), al encontrarse dos partículas de carga positiva relativamente cerca, estas tienden a desplazarse en direcciones opuestas. Por tanto, debemos superar esta fuerza de repulsión que impediría la colisión y posterior fusión de los núcleos atómicos. ¿Cómo haríamos esto? El misterio se resuelve al estudiar las características de las estrellas, el ejemplar más cercano es nuestro Sol, la magia sucede en su núcleo, que se encuentra aproximadamente a 15 millones de °C (es decir 3000 veces la temperatura del núcleo de la Tierra), allí ocurren las reacciones termonucleares que producen que los átomos se encuentren en estado plasmático venciendo así las interacciones de repulsión entre los núcleos atómicos de los átomos de hidrógeno, fusionándolos y generando finalmente energía y partículas de Helio.

Por si fuera poco, el Sol es además capaz de transformar los protones en neutrones, tratar de imitar esto en el laboratorio resulta considerablemente complejo, para su solución se propuso el uso de isótopos de Hidrógeno: el deuterio (D) y el tritio (T). Isótopos que ya contienen el número necesario de protones y neutrones para llevar a cabo el proceso, esto se realiza a través de la siguiente reacción:

Este proceso requiere que se ejecute en un entorno plasmático D-T a una temperatura de entre 150-200 millones °C. Casi 10-15 veces la temperatura del centro del sol. Para la generación de 17,6 MeV17,6, que pueden convertirse en energía eléctrica a través de tecnologías convencionales basadas en el Ciclo de Carnot. Otra ventaja reside en la eficiencia de producción, en la que un solo litro de agua de mar que contenga deuterio puede producir la misma cantidad de energía que produciría la quema de 250 litros de combustibles fósiles [2].

Otro punto importante por aclarar es que en realidad no estamos violando la ley de la conservación de la energía puesto que, durante una reacción de fusión nuclear, la masa del átomo resultante combinado es menor que la de los dos átomos originales. Sin embargo, debido a la conocida ley de equivalencia masa-energía establecida por Einstein -> E=mc2

Donde,

E= energía

m= masa

c= velocidad de la luz

Si se calcula la equivalencia de masa a partir de la energía liberada, ésta sería igual a la masa que falta. Por tanto, una reacción de fusión nuclear continúa cumpliendo con la ley de conservación de la masa (y de la energía).

Diferencia Fisión vs Fusión

Actualmente, la producción de electricidad se ve dominada por la técnica de fisión nuclear, que no debe confundirse con la fusión nuclear, ya que se pueden catalogar como procesos inversos.

Ilustración 2. Representación gráfica de la fisión y la fusión nuclear.

Fisión Nuclear

Consiste en el bombardeo de partículas concentradas en el núcleo de un átomo pesado con el objetivo de forzar la separación de protones que liberan energía y calor, formando elementos más ligeros, este proceso puede producir fragmentos binarios o ternarios, los cuales pueden funcionar como combustible para procesos de fisión adicionales y partículas radioactivas [3]. En el mercado energético actual, el elemento dominante para la práctica de fisión es el Uranio, esto debido a su considerable inestabilidad que facilita el proceso de fisión, si se realiza un control riguroso sobre la muestra y se encuentra en un medio rico en átomos de Uranio se puede aprovechar el efecto de reacción en cadena para la producción de nuevas fisiones.

La fisión es al menos 52,3 % más eficiente con un factor de capacidad de 92,5 % en comparación con la quema de carbón, esto indica que para la producción de un 1 GW de energía en un solo reactor de fisión, se requerirían al menos dos centrales de carbón para producir la misma cantidad de energía [4], mirando esta comparación se puede hacer una idea de la efectividad del proceso.

Sin embargo, uno de sus principales problemas es la producción de partículas radioactivas generadas por la formación de átomos inestables durante la separación de partículas. Esto supone la exposición a elementos que poseen diferentes niveles de riesgo de radiación que deben ser almacenados debido a que no se han desarrollado métodos para su reciclaje, el periodo de vida de dichos residuos oscila entre los 5 años hasta los 100 años [5]. Siguiendo los estándares de sostenibilidad y eficacia a largo plazo, no resulta especialmente atractivo el hecho de que se deba desperdiciar material potencialmente riesgoso para el ambiente, problemática que la fusión nuclear puede solucionar.

Aún con sus desventajas cabe destacar que las cantidades de producción de energía eléctrica y el control riguroso del material de fisión permiten que este proceso siga manteniéndose como una propuesta de energía alternativa.

Aquí se muestra un cuadro comparativo entre el proceso de fisión y fusión nuclear:

Inconvenientes principales y soluciones

Con respecto a la fusión los principales retos ingenieriles que se deben superar para permitir la existencia de este proceso como una técnica viable de generación de energía eléctrica se pueden resumir en dos puntos:

Generar un entorno confinado de alta presión extremadamente caliente que supere incluso, la temperatura del centro del Sol para asegurar el estado plasmático de los isótopos de hidrógeno

Restringir los efectos termonucleares dentro de un espacio cerrado que no entre en contacto con las paredes del reactor nuclear, esto es de vital importancia puesto que el elemento con mayor punto de fusión conocido hasta la fecha es el carbono, con aproximadamente 3500°C.

Tipos de fusión

A pesar de estos problemas, el humano siempre se sobrepone y con el esfuerzo de muchos científicos y con el avance y los avances científicos que tomaron lugar en el siglo XX, se lograron desarrollar dos métodos convencionales para dar solución a estos problemas, cabe aclarar que ningún método es considerado mejor que el otro, ya que se siguen estudiando de cerca con la esperanza de encontrar el método definitivo que nos acerque a simular el proceso que mantiene a las estrellas con vida. Estos son la fusión inercial y la fusión magnética.

Fusión Inercial

Este primer método consta en comprimir mediante láseres o haces de partículas una pequeña pastilla (compuesta de 50% T y 50% D) de manera que el combustible reaccione (generando microimplosiones) y con eso finalmente llevar a la explosión de la propia pastilla así liberando la energía deseada.

Fusión inercial indirecta [6]

Las capas más externas de la pastilla están formadas por un material que se evapora fácilmente generando una onda de choque esférica que se propaga hacia el interior y comprime la parte central de la pastilla. Se están investigando dos técnicas

para obtener una irradiación simétrica de la cápsula de combustible: directa e indirecta:

Directa: se intenta obtener una irradiación uniforme de la pastilla de combustible mediante un gran número de rayos láser o iónicos que inciden directamente sobre la pastilla esférica.

Indirecta: La pastilla está contenida en un pequeño cilindro metálico con extremos abiertos llamado Hohlraum. Esta pieza es irradiada en su superficie interna con rayos láser o iones, estos transforman el cilindro metálico en plasma supercaliente que irradia rayos X, los mismos que son absorbidos posteriormente por la pastilla de combustible, implosionándola. La ventaja este método consiste en que la radiación incide sobre la pastilla de combustible de forma isotrópica, garantizando una implosión esférica de mejor calidad.

Ilustración 3. Vistazo a la pieza de fusión inercial Holhraum.

Separar la fase de compresión del proceso de ignición puede dar lugar a mayores ganancias. Esto se aplica en los planteamientos de ignición rápida e ignición de choque.

Ignición rápida: el punto caliente es creado por electrones relativistas (cercanos a la velocidad de la luz), protones de varios MeV o iones ligeros, producidos por un haz láser ultraintenso fuertemente enfocado [7]

Ignición de choque: los pulsos intensos de láser impulsan una onda de choque convergente que ayuda a crear un punto caliente en el centro del combustible. [7]

Fusión Magnética

Como su propio nombre lo dice, esta técnica hace uso de campos magnéticos que mantienen a la nube plasmática de fusión, alejada de las paredes del reactor, esto se puede explicar mediante la Ley de las fuerzas de Lorentz, la cual propone que partículas cargadas expuestas a un campo magnético tienden a describir trayectorias helicoidales, mientras que las trayectorias perpendiculares son considerablemente restringidas.

Se han propuesto dos diseños de reactores de fusión magnética, el tokamak y el stellarator.

Tokamak

Consiste en una instalación en forma de dona que produce un campo magnético toroidal (que rota alrededor de un eje vertical), este se ve reforzado con una corriente externa de plasma poloidal (que rota alrededor de un eje horizontal) a una alta temperatura, cuya combinación con el campo principal produce un campo magnético helicoidal, dicha geometría limita la salida de partículas y calor de la nube plasmática que los contiene. Esta es la estructura más estudiada entre los reactores de fusión. Sin embargo, uno de sus principales problemas es la necesidad de incrementar el flujo de la corriente de plasma para garantizar su correcto funcionamiento.

Figura 1. A la izquierda, instalación del ITER. A la derecha, un esquema estructural del tokamak junto a su clasificación de campos magnéticos. Tomado de [2] y de [8].

Stellarator

Este trata de mitigar la necesidad de poseer una corriente de plasma que incrementa con el tiempo para el funcionamiento del reactor, esto a partir de la inclusión de válvulas helicoidales alrededor del plasma toroidal. No obstante, su geometría llega a ser compleja de construirse, además de que limita el acceso hacia el interior del recinto de fusión, problema que no presenta el Tokamak, para su solución se planteó el diseño de válvulas especiales retorcidas en sólo una sección de la estructura que permita el confinamiento de la nube de plasma a través de la interacción de los campos toroidales, poloidales y helicoidales. Pero su extravagante estructura le resta efectividad en la generación de energía eléctrica a comparación con el tokamak, se requiere un mayor estudio para su perfeccionamiento.

Figura 2. Modelos de Stellarator. Tomados de [2] y de [9].

Consecuencia de la fusión

Ya que conocemos cómo se da la fusión nuclear es hora de tratar las ventajas, desventajas y consecuencias de llevar a cabo esta práctica

Obtención de recursos

El deuterio se trata de un isótopo de hidrógeno no radiactivo abundante en el agua que puede ser extraído a través de métodos convencionales y accesibles.

Por otro lado, el tritio disponible no es suficiente en la naturaleza por lo que debe obtenerse al bombardear una manta alrededor de la cámara de combustión que contiene un compuesto de litio. De este modo, T es un producto intermedio quemado en la fusión y el litio, como el deuterio, es un elemento ampliamente disponible en fuentes hídricas.

Seguridad

La cantidad de combustible disponible en la fusión nuclear es suficiente

por solo unos pocos segundos, en contraste con la fisión donde se almacena combustible para varios años de operación en el núcleo del reactor (siendo más propenso a accidentes).

Los elementos empleados (D y Li) no son radioactivos en sí, sin embargo, el proceso debe realizarse en un compartimiento aislado debido a la radiación causada por T y los residuos de su reacción. Aun así, debe entenderse que la radioactividad no tiene que ser inherente a la fusión nuclear, en contraste con la fisión que conduce a peligros de larga duración y productos radiactivos.

Impacto ambiental

Dado que la mayoría de sus componentes no emiten radiación ni atribuyen al efecto invernadero, el impacto al ambiente es mínimo. Una ventaja importante de la fusión es la ausencia de desperdicios radiactivos considerando que la eliminación adecuada de desechos de este tipo es especialmente difícil ya que los productos suelen ser volátiles, corrosivos o de larga duración.

NIF y el futuro de la fusión

De vuelta a los avances recientes, podemos determinar en base a la información explicada que el NIF se trata de un reactor de fusión nuclear inercial indirecta que recientemente ha demostrado llegar a niveles de producción energética antes inimaginables.

Otro proyecto relevante al que hay que ponerle el ojo es el ITER, este se trata de nada más y nada menos que uno de los proyectos energéticos más ambiciosos de la actualidad, en el que colaboran para su financiación 35 países, este aparato consta de un Tokamak por lo que emplea fusión de tipo magnética. El objetivo principal de ITER es la investigación y demostración de la combustión de plasma, en los que la energía de los núcleos de helio producidos por las reacciones de fusión es suficiente para mantener la temperatura del plasma, eliminando así la necesidad de calentamiento externo. El ITER también probará la disponibilidad e integración de tecnologías esenciales para un reactor de fusión (como imanes superconductores, mantenimiento remoto y sistemas para agotar la energía del plasma) y la validez de los conceptos de módulos de reproducción de tritio que conducirían a un futuro reactor a tritio. autosuficiencia. Se espera que esta nueva tecnología entre en funcionamiento para el 2025 [10].

Ya terminando es necesario resaltar que a pesar de que lo logrado en el último año es sin duda un gran primer paso en la fusión nuclear, continúa siendo insostenible económicamente aplicarlo como una energía alternativa convencional, es por esto que son requeridos muchísimas más investigaciones y ensayos al respecto. Y quién sabe, si quizás algún día replicar las estrellas nos lleve a la solución que permita preservar la vida en la Tierra como la conocemos.

Reactor nuclear del NIF (Tomado de [6])

Tokamak ITER (Tomado de [10])

Referencias

[1]	E. Gidney, «Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean?,» Nature, 13 Diciembre 2022.
[2]	J. Ongena y Y. Ogawa, «Nuclear fusion: Status report and future prospects,» Energy Policy, vol. 96, pp. 770-778, 2016.
[3]	C. Martínez y CIEMAT, «Energías de fisión y fusión: situación actual y perspectivas de futuro,» Fuentes de energía para el futuro, pp. 53-90, 2008.
[4]	Office of Nuclear Energy, «Nuclear Power is the Most Reliable Energy Source and It's Not Even Close,» 24 3 2021. [En línea]. Available: https://www.energy.gov/ne/articles/nuclear-power-most-reliable-energy-source-and-its-not-even-close. [Último acceso: 13 6 2023].
[5]	T. Atsunori y O. Masaki, «Evaluation of the specific radioactivity of 40 elements created by nuclear transmutation of fission products,» Progress in Nuclear Energy, vol. 93, pp. 177-185, 20216.
[6]	Lawrence Livermore National Laboratory, «Lawrence Livermore National Laboratory,» 2018. [En línea].
[7]	P. McKenna, D. Neely, R. Bingham y D. Jaroszynski, «Laser-Plasma Interactions and Applications,» SpringerLink, 2013.
[8]	A. Abraham, «Tokamak, el dispositivo de fusión nuclear de Reino Unido que ha abierto las puertas a la comercialización de este tipo de energía,» Business Insider, 27 5 2021.
[9]	L. Zheng, «Quasisymmetric Stellarators,» Physics APS, 18 1 2022. [En línea]. Available: https://physics.aps.org/articles/v15/5.
[10]	ITER, «ITER: WHAT IS ITER?,» 2023. [En línea]. Available: https://www.iter.org/proj/inafewlines.
[11]	N. Schunck y D. Regnier, «Theory of nuclear fission,» Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 125, 2022.

Motor Wankel: Un tesoro del pasado revolucionando el futuro

2023-02-23T02:45:55Z

Al escuchar “automovilismo” o “carreras” siempre nos imaginamos a los pistones saltando mientras la gasolina corre y explota intermitentemente dentro de cilindros. Sin embargo, ¿qué tal que un motor cambie totalmente dicha idea? Esto fue lo que se propuso Félix Wankel, quien mostró inconformidad con los motores de pistón y buscó revolucionar la manera cómo se daba potencia a toda clase de vehículos. Para ello, propuso en el año 1924 algo completamente innovador, el primer motor rotativo de la historia.

(Imagen 1: Félix Wankel)

Este motor carecía de pistones, de árbol de levas, de cigüeñal y de cilindros. Funcionaba mediante un tambor que contiene un rotor triangular, en el cual ocurrían al simultaneo el proceso de admisión, compresión, combustión y escape. Lo anterior le permitía tener poco peso y una alta eficiencia en comparación a los motores del momento, lo que les dio un gran atractivo a los fabricantes de autos deportivos y aficionados a las carreras.

(Imagen 2: Motor Wankel)

(Imagen 3: Ciclo de combustión del motor Wankel)

A pesar de su alta popularidad, el motor Wankel pasó de ser un invento que revolucionaría la industria, al mayor dolor de cabeza de los mejores fabricantes alrededor del mundo. Marcas como NSU(Audi), General Motors, Ford, Toyota, Mercedes-Benz, Porsche y Rolls-Royce abandonaron el desarrollo de esta clase de motores por problemas relacionados con la lubricación y enfriamiento. Además, los fabricantes debían impedir la dilatación y contracción del tambor para evitar la mezcla de los gases, el combustible sin explotar y el que está en combustión.

A pesar de esto, un nuevo competidor pudo solucionar con éxito dichos problemas y colocarse a la par de fabricantes como Ferrari. Mazda, la marca japonesa, se coronó en 1991 como el campeón de las 24 horas de Le Mans, la competencia de resistencia más exigente del mundo. Al finalizar la carrera, los ingenieros probaron que el motor japonés estaba intacto, diciendo que estaban en capacidad de recorrer 5.000 km más. Sin omitir, que fue el carro que menos combustible gastó. Tristemente, el motor rotativo fue prohibido el siguiente año, impidiendo su desarrollo y más victorias para el equipo.

(Imagen 4: Mazda 787B)

A pesar de las restricciones competitivas, el motor rotativo obtuvo una excelente aceptación en las calles gracias a la familia Mazda RX. Dichos automóviles manejan potencias de 200 HP, tracción trasera y distribución 50/50, siendo perfectos para los arranques.

(Imagen 5: Mazda RX7 Veilside)

Recientemente, Mazda anunció sus deseos de incluir un motor rotativo como extensión a los motores eléctricos de las nuevas generaciones de vehículos. Además, la marca japonesa viene desarrollando investigaciones para impulsar esta clase de motor con hidrógeno como combustible, marcando así el futuro de los vehículos ambientalmente amigables.

Sin duda alguna, siempre es bueno recordar aquellas alternativas que dieron grandes frutos en el pasado y más aún, cuando se puede tomar como base para desarrollar los grandes inventos que marcarán un antes y un después en la historia del automovilismo.

Jorge Isaac Ahumada Riquett

Referencias:

https://www.infomylsa.com/blogNews/news_post.php?id=374 https://sorprendete.pe/expomotor/el -motor -wankel -vuelve -a -funcionar/ https://motorsport.tv/duke -classic -videos/video/1991 -24 -hours -of -le mans/33594 https://www.scalemates.com/es/kits/alpha -model -am02 -0041 -mazda rx7 -fd -veilside --1412666

Imagen1: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Felix_Wankel

Imagen2: https://www.infomylsa.com/blogNews/news_post.php?id=374

Imagen3: https://sorprendete.pe/expomotor/el -motor -wankel -vuelve -a funcionar/

Imagen4: https://motorsport.tv/duke -classic -videos/video/1991 -24 -hours of -le -mans/33594

Imagen5: https://gpmodeling.shop/es-es/products/mazda-rx7-veilside-1-

24-alphamodel-am02-0041

Imagen miniatura: https://www.diariomotor.com/que-es/mecanica/motor-rotativo-wankel/

CO2: el futuro del sistema de refrigeración

2022-10-26T03:22:54Z

El sector de la refrigeración es un importante generador de Gases de Efecto Invernadero (GEI), debido a que la mayoría de los refrigerantes son nocivos para el medio ambiente, ya sea porque contribuyen al calentamiento global o porque aceleran la destrucción de la capa de ozono. La conciencia sobre los problemas medioambientales ha ido creciendo en las últimas décadas y con el tiempo, ha impregnado en la sociedad el concepto de sostenibilidad como uno de los pilares fundamentales en las nuevas tecnologías.

Hace 35 años tuvo lugar el Protocolo de Montreal, en el cual se prohibió el uso de compuestos de clorofluorocarbonos (CFC), lo que desencadenó en la desaparición de la primera generación de refrigerantes. Aun así, en 2016 en Kigali, Ruanda, el protocolo de Montreal llegó a un acuerdo para la eliminación gradual de los compuestos de hidrofluorocarbonos (HFC), que representan la segunda generación de refrigerantes y gran parte del mercado en países en vías de desarrollo como el nuestro.

Un estudio respaldado por la Agencia Federal del Medio Ambiente alemana demuestra que las emisiones de gases fluorados de los refrigerantes podrían haber llegado a 4 Gton de CO2 para el año 2050. Explicando así que para el año 2050 la contribución de los gases fluorados podría haber sido responsable del 7,9% del calentamiento global.

Beneficios del CO2

El CO2 es un gas refrigerante natural usado desde 1850, que volvió a investigarse para llegar a ser una alternativa sustentable a los refrigerantes convencionales. Diversos estudios internacionales indican que los sistemas de refrigeración con CO2 son más eficiente energéticamente, mediante sistemas refrigerados que trabajen por encima de la zona critica (CO2 transcrítico). Países como Colombia cuenta con las condiciones climáticas ideales para implementar sistemas de refrigeración con esta tecnología, algunas de las más grandes empresas del país, ya se están cambiando a sistemas de CO2 para lograr ser “Carbono Neutro”.

La principal ventaja del CO2: el precio

El bajo impacto ambiental de los sistemas de CO2 transcrítico es una característica deseable para cualquier empresa, pero no la más importante, y es que los sistemas de CO2 representan un cambio total respecto a los sistemas convencionales, debido a que las presiones de trabajo son mayores, por lo que se necesita cambiar todos los equipos convencionales, diferente a lo que se realiza con los refrigerantes convencionales que son cambios mínimos. Gracias a un estudio realizado en Chile, se comprobó que los sistemas de refrigeración basados en la tecnología de CO2 transcrítico presentan un 20% más de eficiencia energética:

“Medimos cuánta energía eléctrica entra y cuánta energía de refrigeración salía y, efectivamente, comprobamos que el CO2 transcrítico es más eficiente en un 20% con respecto al otro refrigerante. Es decir, 1 kW de energía eléctrica produce más kW de frío con CO2, en comparación al refrigerante químico convencional” explica Pier Zecchetto, gerente general de Nuova Service.

Esto simboliza ahorros importantes en los costos de operación, que representan uno de los mayores costos en supermercados y empresas alimentarias. Además, debido a todas las regulaciones que se han estado llevando a cabo, el precio de los refrigerantes convencionales ha comenzado a duplicarse o hasta triplicarse, lo que no le pasa al R-744, que es el nombre comercial del CO2 ultrapuro.

Conclusiones:

Emplear gases naturales para los sistemas de refrigeración es una de las principales alternativas para reducir el impacto industrial de la refrigeración sobre el planeta, es una arista clave para combatir el cambio climático, Estos gases naturales son sustancias que poco agotan la capa de ozono por lo que no contribuyen al cambio climático. Además, son significativamente más económicos, comparados con los refrigerantes convencionales.

Referencias:

[1] https://www.un.org/es/observances/ozone-day#:~:text=El%20objetivo%20principal%20del%20Protocolo,los%20conocimientos%20cient%C3%ADficos%20e%20informaci%C3%B3n

[2] https://www.caloryfrio.com/refrigeracion-frio/impacto-refrigerantes-en-medio-ambiente.html

[3] https://mma.gob.cl/co2-transcritico-gas-refrigerante-natural-mas-eficiente-y-sustentable/#:~:text=%E2%80%9CMedimos%20cu%C3%A1nta%20energ%C3%ADa%20el%C3%A9ctrica%20entra,comparaci%C3%B3n%20al%20refrigerante%20qu%C3%ADmico%20convencional.

[4] https://arnegcol.com/arneg-andina-co2/

[5] https://www.caloryfrio.com/refrigeracion-frio/refrigeracion-con-co2-como-porque-infografia.html

[6] https://www.eluniversal.com.co/informe-empresarial/refrigerantes-naturales-elementos-claves-de-la-sostenibilidad-CJ6821613

[7] https://www.intarcon.com/refrigeracion-con-co2/

Imágenes:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=_jAcpcAMRVM

[2] https://www.caloryfrio.com/images/articulos/Frio-refrigeracion/grafico-aumento-emisiones-2050.webp

[3] https://www.caloryfrio.com/images/infografias/infografia-refrigeracion-co2.webp

[4] https://www.arneg.it/sites/default/files/var/www/html/arneg-tids/sites/default/files/globo.png

Movilidad Eléctrica en Colombia

2022-03-25T17:35:08Z

Autor: Sofía Alejandra De La Hoz Escorcia

El mundo va hacia una electrificación de la economía, específicamente del transporte. Actualmente, la penetración de Vehículos Eléctricos en la flota mundial es relativamente baja. Sin embargo, se espera que para el año 2040 el 57% de las ventas globales sean de vehículos eléctricos, representando el 30% de la flota total. Por lo cual, el Ministerio de Minas y Energías de Colombia ha dado a conocer la Estrategia Nacional de Movilidad Eléctrica que se va a implementar en el país, la cual en términos generales busca reducir emisiones en el sector transporte y usar de una forma eficiente y racional la energía. De ahí que por medio de este blog resumamos las partes más importantes de este documento, tomen nota. [1]

Pero primero, ellos establecieron que un vehículo eléctrico corresponde a: “Un vehículo impulsado exclusivamente por uno o más motores eléctricos, que obtienen corriente de un sistema de almacenamiento de energía recargable, como baterías u otros dispositivos portátiles de almacenamiento de energía eléctrica, incluyendo celdas de combustible o hidrógeno o que obtienen la corriente a través de catenarias”.

Ahora bien, ellos afirmaron que se darían estaciones de carga, cargadores, conectores del vehículo de carga y puntos de carga. Los cuales se ejemplifican en esta imagen extraída del ABC de Movilidad Eléctrica:

Así mismo, se expresaron cuáles son los niveles de carga asociados a la movilidad eléctrica que se manejarán en el territorio, los cuales corresponde:

Nivel de carga 1. Es aquel que utiliza un tomacorriente estándar de Corriente Alterna (CA). Su potencia nominal es inferior a 3,7 kilovatios [kW].
Nivel de carga 2. Es aquel que requiere la instalación de una Estación de carga con conexión a Corriente Alterna (CA). Su potencia nominal se encuentra entre 3,7 kilovatios [kW] a 22 kilovatios [kW].
Nivel de carga 3. Es aquel que consiste en una carga rápida con conexión a Corriente Alterna (CA) o Corriente Directa (CD). Su potencia nominal es superior a 22 kilovatios [kW] en CA y superior a 50 kilovatios [kW] en CD.

Cabe resaltar que se habla de quien es el Prestador de servicio de carga para vehículos eléctricos e híbridos enchufables, a lo cual ellos responden esto es toda Persona natural o jurídica que ofrece y presta el servicio de carga para vehículos eléctricos o híbridos enchufables en Estaciones de carga, quien recibe (o recibirá), una contraprestación por el servicio.

Se debe reconocer que este tipo de propuestas pretenden incrementar el uso de vehículos eléctricos en el país y, desde hace varios años se ha evidenciado el acoplamiento que está teniendo esta propuesta de movilidad en la sociedad a nivel internacional y nacional, tal y como lo evidencian las gráficas sacadas de MOVILIDAD ELÉCTRICA: AVANCES EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE Y OPORTUNIDADES PARA LA COLABORACIÓN REGIONAL, y de MOVE'S MONTHLY WEBINAR - PERSPECTIVA MUNDIAL DE LA MOVILIDAD ELÉCTRICA. [2] [3]

Además, se debe destacar que este tipo de proyectos también va ligado al sector económico ya que, como se ven en las estadísticas, el valor de este tipo de vehículos va en alza y su compra va en camino de estandarizarse en la sociedad.

Vale la pena destacar que, diferentes organismos internacionales incentivan a los gobiernos a seguir en esta línea de trabajo por medio de estímulos mediados por la política, tales como los que se ven a continuación:

Esperamos que este artículo sea de su agrado y no se pierdan los que vienen en nuestro espacio.

Referencias:

[1] https://www.minenergia.gov.co/documents/10192/24230999/EstrategiaNacionalMovilidadElectrica2020.pdf

[2] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2019/06/MOVE-Regional-Report-2018-ES.pdf

[3] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2018/07/GEVO-2018-MOVE-webinar.pdf

Imágenes:

[1] https://www.minenergia.gov.co/documents/10192/24320191/ABC+Movilidad+El%C3%A9ctrica+.pdf, Página 2

[2] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2018/07/GEVO-2018-MOVE-webinar.pdf, Diapositiva 5

[3] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2019/06/MOVE-Regional-Report-2018-ES.pdf, Página 29

[4] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2018/07/GEVO-2018-MOVE-webinar.pdf, Diapositiva 6

[5] https://movelatam.org/wp-content/uploads/2019/06/MOVE-Regional-Report-2018-ES.pdf, Página 41

Telescopio James Webb: Expandamos la Frontera Final

2022-03-25T17:34:02Z

Autor: José Daniel Carrillo

Telescopio James Webb: Expandamos la Frontera Final

“El espacio, la frontera final. Estos son los viajes de la nave espacial Enterprise. Su continua misión: explorar extraños nuevos mundos, buscar nuevas formas de vida y nuevas civilizaciones, viajando temerariamente a donde nadie ha llegado antes”.

Créditos iniciales, Star Trek: The New Generation.

Cuando escuchamos este mensaje, siempre se nos viene a la mente la poderosa nave Enterprise, yendo a velocidad warp por todo el universo encontrándose con mil civilizaciones y viviendo las más increíbles aventuras. Sin embargo, una pregunta viene a la mente: ¿Cómo trazar una hoja de ruta en un lugar que de otro modo se tendría que explorar al tanteo? ¿Cómo conocer lo que yace más allá de nuestros sentidos? ¿Cómo ver lo que se encuentra “más allá” ?

La respuesta está en partes, en este caso 4, la primera nos la dieron unos ópticos holandeses hace unos 413 años, y se llama telescopio. Hans Lippershey, Zacharias Janssen y Jacob Metius inventaron catalejos sencillos con dos lentes, que proporcionaban aumentos de 2x o 3x; ósea, de ver los objetos en cuestión si se vieran desde una posición 2 o 3 veces más cercana. De ahí que etimológicamente, se llame “telescopio”, por el griego de “ver lejos”.

Una segunda parte nos la brindaron enseguida aquellos que empezaron a usar el telescopio para ver hacia el cielo y desentrañar sus secretos, ocultos a la vista normal. Hombres y mujeres como Galileo Galilei, que confirmaba la visión heliocéntrica (Sol en el centro, no la Tierra) con sus hallazgos en la superficie de la Luna y el descubrimiento de las lunas de Júpiter; Giovanni Cassini y Christian Huygens con sus respectivos estudios sobre Saturno; William Herschel, descubridor de Urano y de sus satélites; o Clyde Tombaugh, descubridor de Plutón. Y esto sólo con el Sistema Solar y sus planetas, porque caben aquí descubrimientos de centenares de cometas, asteroides y demás cuerpos menores donde entran nombres como Edmond Halley, Caroline Herschel, Johann Encke, Maria Mitchell, Giuseppe Piazzi, entre muchos más.

La tercera viene con aquellos que usando los descubrimientos ya hechos, combinando con su razonamiento y lo que entendían del universo, formulan toda clase de leyes, principios y conjeturas sobre el cosmos: Urbain LeVerrier, usando la matemática y las observaciones sobre Urano para predecir la existencia de Neptuno; Henrieta Leavitt, empleó las observaciones de las estrellas variables cefeidas y halló una relación período-luminosidad, importantísima para determinar su distancia; Ejnar Hertzsprung y Henry Rusell, creando los diagramas que llevan sus nombres y muestran los ciclos de vida de las estrellas según su luminosidad y temperatura; o Sir Arthur Eddington, que usó el avistamiento de un eclipse solar para confirmar la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, justamente originada por observaciones de Mercurio. De nuevo, son algunos ejemplos entre miles de genios.

Y la última viene gracias al desarrollo tecnológico y aeroespacial, que permitió que cohetes situaran telescopios en órbita alrededor del planeta y evitaran los efectos de ver por debajo de la atmósfera. Dado que es una capa densa y llena de gases, la luz se desvía un poco al pasar por ella, de manera que las imágenes vistas desde tierra pueden ser más borrosas o difíciles de interpretar, efecto corregido con estos “telescopios espaciales”, cuyas imágenes y datos serían utilizadas por miles de científicos desentrañando los más grandes enigmas. Grandes obras de ingeniería como Spitzer, el telescopio infrarrojo; Chandra, el observatorio de rayos X; o Kepler, el satélite de exoplanetas.

Pero entre todos, hay uno que siempre destacó como icónico en la cultura general, siendo el telescopio espacial más importante y famoso del mundo: El Telescopio Espacial Hubble. Este peso pesado de la astronomía lleva ya más de 31 años en funcionamiento, siendo que no tenía esa proyección originalmente. La potencia y precisión de sus dispositivos ha permitido que gocemos de las más increíbles imágenes del universo, y ha tenido ya varias misiones de servicio para repararlo y actualizarlo. A pesar de todo lo que nos ha dado durante este tiempo, no es ajeno al paso del tiempo y ya no es lo que era. Necesita ya un recambio, que pueda hacer más de lo que ha hecho el Hubble y pueda tener un enfoque distinto para complementar su labor, y poder averiguar más sobre temas como la formación de las primeras galaxias, su evolución, formación de estrellas y sistemas planetarios, estudio de los exoplanetas y sus condiciones físicas y químicas, incluso buscando biomarcadores o potencial vida en ellos.

Y es aquí donde entra nuestro personaje nuevo en cuestión, destinado a ser el nuevo gran telescopio espacial de la humanidad. Amigos, entrando por la puerta grande, recibimos al Telescopio Espacial James Webb.

Origen e Historia del telescopio

Conocido originalmente como “Next Generation Space Telescope”, la idea surgió durante fines de los 80 para complementar al Telescopio Hubble, que veía mayormente luz visible, además de parte de ultravioleta e infrarrojo, con uno que explorara más a fondo el infrarrojo que el Hubble no podía, en especial el infrarrojo medio. Esta es una zona de especial interés en el espectro electromagnético, pues es la franja usada para estudiar las nubes de gas y polvo que son regiones de formación de estrellas y de planetas con ellas. Sobre todo, buscar detectar aquellas luces provenientes de las primeras estrellas y galaxias en el universo. Esta franja de la radiación electromagnética es exclusiva para estudio en el espacio y no desde tierra, debido a la presencia de nuestra atmósfera, por lo cual no era factible acompañar con telescopios desde tierra por más grandes que fueran.

Esto trajo consigo un asunto para resolver y fue el tema presupuestario: al ser un proyecto de la NASA, el presupuesto para ello era el que se le asignara en el Congreso, nada de empresa privada para financiar. Por lo cual el proyecto vio bastantes cambios de su concepción original, diseño, fecha de lanzamiento, funcionamientos erróneos, la pandemia de COVID-19, entre otros. Es un poco larga la historia, pero para resumir, se lleva hablando de lanzar el telescopio desde mediados de los 2000’s y entre todos estos factores lo han retrasado. Incluso ya es un proyecto con mayores contribuciones, ya que la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense se han unido a la NASA para este proyecto. Finalmente, después de muchas, pruebas, errores, júbilo y desesperación en un proyecto con más de 14 países involucrados, 10 mil millones de dólares invertidos, 40 millones de horas de trabajo y miles de científicos, ingenieros y técnicos trabajando en ello, el telescopio ya está hoy en la Guayana Francesa, esperando su día de lanzamiento, ya establecido para el 22 de diciembre del presente año en Kourou.

Descripción del telescopio

Nuestro gran amigo tratado aquí, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) se trata de, como hemos dicho, el observatorio espacial más grande, midiendo 2 veces y media más que el Telescopio Espacial Hubble (HST). Esto se debe en gran parte al aumento colosal en el tamaño de su espejo primario, de 6.5 m de diámetro; gran aumento al lado de los 2.4 m del espejo del HST. El espejo del JWST está constituido por 18 espejos hexagonales distribuidos y segmentados, aumentando el tamaño posible para el espejo ya que un espejo de una sola pieza como el del HST tiene un límite de tamaño con relación a su propio peso. Los segmentos están creados en una base de berilio recubierta de una capa de oro finísima, de apenas 700 átomos de espesor.

En relación al tamaño de todo el sistema, sus 21 x 14 m le permiten abarcar fácilmente el área de una cancha de tenis, y su masa total de 13,700 lb, unos 6,215 kg, es comparable a la de un autobús escolar.

Para entender con cuidado su despiece, dividiremos el telescopio en dos zonas: la “zona caliente” y la “zona fría”, siendo referencia a aquella parte que está de cara al Sol, y aquella que está dándole la espalda.

Además del espejo primario, 4 brazos extendidos desde este sostienen un espejo secundario de 0.74 m, que refracta la luz que viene del espejo primario y la guía hacia el interior del telescopio, concretamente al Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM, en inglés), donde están todas las cámaras e instrumentos científicos. Ojo a estos instrumentos, volveremos a ellos en un momento.

El telescopio cuenta con un escudo solar de 5 capas delgadas (ninguna de más de 0.05 m de grosor) fabricado en un polímero llamado Kapton, con algún recubrimiento extra de aluminio o silicio. Dicho polímero presenta una gran resistencia al calor y termoestabilidad. Está cuidadosamente diseñado para que la parte operativa del telescopio pueda tener condiciones ideales de temperatura: en el caso del JWST, se busca mantener los instrumentos a menos de 40 K, esto para brindar la máxima sensibilidad posible a la radiación infrarroja que se busca estudiar. Esto nos lleva a ver que, como ya mencionamos, el lado del telescopio donde están los espejos e instrumentos científicos está de espaldas al Sol, para que el escudo absorba el calor proveniente de este y brinde las condiciones ya mencionadas.

En este “lado caliente”, tenemos además los rastrea-estrellas, pequeños telescopios que irán guiando por patrones al telescopio hacia la zona en específico que quiera ver, una matriz de energía solar para brindar gracias a la luz solar la electricidad con la que funciona todo el sistema, antena para comunicaciones, y una unidad llamada Spacecraft Bus, que contiene los instrumentos más del observatorio como nave espacial, tales como sensores de orientación, temperatura, controles de comunicación, electricidad, propulsión y demás datos necesarios para mantener estable el telescopio en su órbita.

Ya que hemos tocado el tema de su órbita, es una decisión con cierto riesgo, pero se decidió que el cohete Ariane llevara al telescopio fuera de Tierra, y que de ahí en adelante, a medida que se despliega, va en dirección a situarse en una órbita de halo alrededor de un punto más allá de la Luna, a 1.5 millones de km de la Tierra, en el segundo punto de Lagrange: los puntos de Lagrange, mis queridos, son determinados puntos en el espacio situados entre cuerpos celestes, dos grandes y uno pequeño en nuestro caso, donde las fuerzas de atracción entre los 3 se equilibran. En total hay 5 puntos de Lagrange en el sistema Sol-Tierra-Luna. Se envía allí para tener también un mayor control de temperatura en el sistema, y la dificultad mencionada es que, justo debido a la gran distancia (recordamos, 1.5 millones de km), el telescopio debe funcionar desde el día 1 sin fallos graves, pues no se pueden mandar misiones de reparación como si se hizo con el HST, esto dado a que estaba en órbita baja, digamos, a unos 570 km de la Tierra, mucho más cerca.

Módulo Integrado de Instrumentos Científicos (ISIM)

Volviendo a los instrumentos científicos, estos junto a los espejos son aquello presente en la llamada “zona fría”, y en el módulo están presentes varios instrumentos con cámaras, espectrógrafos, coronógrafos, etc. Entre de los cuales destacan 4 detallados aquí, además de mencionar su procedencia:

Un recordatorio, el telescopio trabaja en la zona del infrarrojo cercano y medio, concretamente en longitudes de onda de entre 0.6 a 28.5 μm.

NIRCam: Near-Infrared Camera o Cámara de Infrarrojo Cercano, es la cámara principal, que opera en el infrarrojo cercano (0.6 a 5 μm), donde el polvo se hace transparente. Permite tomar fotos de objetos muy tenues alrededor de un objeto central brillante, bloqueando la luz de este último. Muy útil para el estudio de planetas extrasolares o estrellas con discos protoplanetarios (discos de gas y polvo alrededor de la estrella, de donde se originan los planetas). (Universidad de Arizona & Centro de Tecnología Avanzada Lockheed Martin).

NIRSpec: Near-Infrared Spectrograph o Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano, operando en el mismo rango, es de los instrumentos más versátiles. Además de hacer espectroscopia estándar en diversos objetos, puede observar simultáneamente hasta 100 de estos, siendo el primer espectrógrafo con esa multicapacidad. Teniendo además una matriz de micro obturadores, que son muchas cámaras pequeñas, más delgadas que un cabello humano, haciendo el trabajo, y teniendo tapas que se abren o cierran por presencia de campos magnéticos, esto para ampliar o minimizar su campo de vista. Cada micro obturador puede ser controlado así individualmente y obtener la distribución ideal de cielo que busca estudiarse. (ESA & Airbus Industries el NIRSpec, y NASA la matriz y los subsistemas de detección)

NIRISS/FGS: Near-Infrared Slitless Spectrograph/Fine Guidance Sensor o Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano sin Ranuras/Sensor de Guía Fina; en el caso del NIRISS, siendo el único equipado con máscara de apertura, obtiene imágenes de mucha mejor resolución de objetos muy brillantes; y el FGS es un sistema de cámaras que asegura la correcta alineación del telescopio con su objetivo durante el tiempo que esté fijado en una observación. (CSA)

Estos instrumentos mencionados operan a unos 39 K para ser más sensibles al infrarrojo cercano.

MIRI: Mid-Infrared Instrument o Instrumento de Infrarrojo Medio, proporciona capacidades de imágenes y espectroscopia en el infrarrojo medio (5 a 28 μm). Consiste de una cámara, espectrógrafos, coronógrafos y una unidad de campo integral, que es una combinación de cámara y espectrógrafo utilizado para capturar y mapear espectros en un campo de visión. Útil para el estudio de corrimiento al rojo de las galaxias distantes (efecto Doppler), formación de estrellas, cometas muy difusos u objetos en el cinturón de Kuiper. Dado que trabaja en infrarrojo medio, necesita estar aún más frío, entre los 7-18 K. (Consorcio Europeo, ESA y el Laboratorio de Propulsión Jet de la NASA).

Finalmente, hemos aprendido un poco de qué va este gran anuncio de que el lanzamiento del James Webb es ya una realidad, y está a menos de 2 semanas. Después de toda una década haciendo avances, modificando, preservando, este es el momento. Después de siglos y siglos de científicos haciendo grandes aportes y descubriendo más y más sobre el universo, este es el momento. Después de un período glorioso del Hubble, Spitzer y otros grandes telescopios, este es el momento. Y quedará grabado en la memoria de los niños, jóvenes, adultos y todas las personas que miren su lanzamiento y vivan durante su etapa de funcionamiento de 5 a 10 años, y dirán: “Yo viví en la época del Telescopio Espacial James Webb”. El mañana está a la vuelta de la esquina con esto, vamos por él.

Referencias:

J. Bell, El Libro de la Astronomía. 1° edición. Kerkdiel: Librero, 2014.

D. Marín. "La recta final del James Webb: la historia del telescopio espacial más complejo concebido por el ser humano". Eureka. https://cutt.ly/6YRVeQT

NASA, "Webb Telescope Launch Media Kit", Estados Unidos, (Guía). [En línea]. Disponible en: https://cutt.ly/8YRBHAT

Imágenes:

N. Grumman (2009, Abril 29). The James Webb Space Telescope. [Online]. Available: https://cutt.ly/7YvHw9G

NASA, "Webb Telescope Launch Media Kit", Estados Unidos, (Guía). [En línea]. Disponible en: https://cutt.ly/8YRBHAT

D. Marín. "La recta final del James Webb: la historia del telescopio espacial más complejo concebido por el ser humano". Eureka. https://cutt.ly/6YRVeQT