La mayoría de las personas reconocerían el dispositivo en la imagen, aunque probablemente no lo conozcan por su nombre formal: el radiómetro de Crookes. Como su nombre indica, colocar el radiómetro en la luz produce un cambio medible: las palas comienzan a girar.
Desafortunadamente, muchas personas malinterpretan la física de su funcionamiento. Las fuerzas que impulsan las palas a girar, llamadas fotophoresis, pueden actuar sobre una variedad de estructuras siempre que se coloquen en una atmósfera de baja densidad. Un equipo de investigadores ha descubierto que podría ser posible utilizar el efecto fotoforético para elevar láminas delgadas de metal a la alta atmósfera de la Tierra y otros planetas. Su idea es usarlo para enviar sondas a la parte de la atmósfera que está demasiado alta para los globos y demasiado baja para los satélites, aunque han probado algunos prototipos de trabajo más cerca de la superficie terrestre.
Fotophoresis
Es bastante común y erróneo ver explicaciones del radiómetro de Crookes que involucran presión de radiación. Supuestamente, los lados oscuros de las palas absorben más fotones, cada uno de los cuales lleva un pequeño impulso, dando al lado oscuro de las palas un empuje constante. El problema con esta explicación es que los fotones rebotan en el lado plateado, lo que imparte aún más impulso. Si el dispositivo estuviera girando debido a la presión de radiación, giraría en la dirección opuesta a la que realmente lo hace.
Un exceso de fotones absorbidos en el lado oscuro es clave para entender cómo funciona. La fotophoresis opera a través de la diferencia de temperatura que se desarrolla entre el lado oscuro, que absorbe calor, y el lado plateado, que es más frío.
Cualquier molécula de gas que choque contra el lado oscuro probablemente recogerá algo del exceso de energía térmica de este y se alejará de la pala más rápido de lo que llegó. En las presiones atmosféricas que normalmente experimentamos, estas moléculas no avanzan mucho antes de chocar con otras moléculas de gas, lo que impide que se desarrollen diferencias significativas.
Sin embargo, un radiómetro de Crookes se encuentra en un recipiente de vidrio sellado con una presión de aire mucho más baja. Esto permite que las moléculas de gas se alejen mucho más del lado oscuro de la pala antes de chocar con algo, creando un área de presión algo más baja en su superficie. Eso provoca que el gas cerca de la superficie del lado plateado se apresure a llenar esta área de menor presión, impartiendo la fuerza que comienza a hacer girar las palas.
Es bastante ineficiente en esa configuración, por lo que las personas han pasado mucho tiempo tratando de diseñar configuraciones alternativas que puedan generar un poco más de fuerza. Una idea con mucha tracción en la investigación es un sistema que involucra dos láminas delgadas de metal, una clara y una oscura, dispuestas paralelamente. Ambas láminas estarían perforadas para reducir el peso. Un subconjunto de ellas tendría un tubo corto que conecta los agujeros de la lámina superior e inferior. (Esto ha recibido el apodo de “nanocardboard”).
Estos tubos servirían para varios propósitos. Uno es simplemente unir las dos láminas en una sola unidad. Otro es actuar como un aislante, manteniendo el calor lejos de la lámina clara y, por lo tanto, mejorando el gradiente de temperatura. Finalmente, proporcionan un camino directo para que el aire se mueva desde la parte superior de la lámina clara hacia la parte inferior de la oscura, dando un pequeño empuje dirigido para ayudar a mantener las láminas en el aire.
Optimización
Como puedes imaginar, hay muchos parámetros que se pueden ajustar: el tamaño del espacio entre las láminas, la densidad de las perforaciones en ellas, el número de agujeros conectados por un tubo, etc. Un pequeño equipo de investigadores desarrolló un sistema para modelar diferentes configuraciones y tratar de optimizar el levantamiento. “Los inputs del modelo son las propiedades geométricas, ópticas y térmicas del disco, las condiciones del gas ambiente y los flujos de calor radiativo externos sobre el disco”, describen los investigadores. “Los outputs son los flujos de calor conductivo en las dos membranas, las temperaturas de las membranas y la fuerza neta de elevación fotoporética sobre la estructura.” En general, las condiciones del gas ambiente necesarias para generar elevación son similares a las que se encuentran dentro del radiómetro de Crookes: muy por debajo de la presión del aire a nivel del mar.
El modelo sugiere que tres tendencias deberían influir en cualquier diseño final. La primera es que la densidad de perforaciones es un equilibrio. A elevaciones relativamente bajas (lo que significa una atmósfera más densa), muchas perforaciones aumentan el estrés en láminas grandes, pero disminuyen el estrés para elementos pequeños a altas elevaciones. La otra cosa es que, en lugar de aumentar con el área de superficie, la elevación tiende a disminuir porque las láminas son más propensas a equilibrarse con las temperaturas prevalecientes. Un milímetro cuadrado de nanocardboard produce más de 10 veces más elevación por área de superficie que un trozo de 10 centímetros cuadrados del mismo material.
Finalmente, los investigadores calculan que la elevación es máxima en la mesosfera, el área justo por encima de la estratosfera (50-100 kilómetros sobre la superficie de la Tierra).
Luz y elevación
Los investigadores construyeron algunas láminas de nanocardboard para probar la salida de su modelo. Los productos reales, principalmente hechos de cromo, aluminio y óxido de aluminio, eran increíblemente ligeros, pesando solo un gramo por metro cuadrado de material. Cuando se iluminaban con un láser o LED blanco, generaban una fuerza medible en un dispositivo de prueba, siempre que la atmósfera se mantuviera lo suficientemente escasa. Con una exposición equivalente a la luz solar, el dispositivo generó más de lo que pesaba.
Es una demostración impresionante de que podemos tomar un efecto físico relativamente oscuro y débil y diseñar dispositivos que pueden levitar en la alta atmósfera, alimentados solo por la luz solar, lo cual es bastante interesante.
Sin embargo, los investigadores tienen un objetivo más allá de eso. La mesosfera resulta ser una parte de la atmósfera muy difícil de estudiar. No es lo suficientemente densa para soportar globos o aeronaves, pero aún tiene suficiente gas para hacer que cualquier satélite se deshaga rápidamente. Por lo tanto, los investigadores realmente quieren convertir uno de estos dispositivos en una aeronave que lleve instrumentos. Desafortunadamente, eso significaría agregar los componentes estructurales necesarios para sostener instrumentos, junto con los propios instrumentos. Y incluso en la mesosfera, donde la elevación es óptima, estas cosas no generan mucha elevación.
Además, está el problema de llevarlos allí, dado que no generarán suficiente elevación en la atmósfera inferior, por lo que tendrán que ser transportados a la alta estratosfera por algo más y luego liberados suavemente para no dañar su frágil estructura. Y luego, a menos que se los eleve durante el verano polar, probablemente volverán a caer por la noche.
No se puede decir que esto sea un sueño imposible. Pero hay definitivamente muchos obstáculos grandes entre el trabajo y las aplicaciones prácticas en la Tierra, y mucho menos en Marte, donde los autores sugieren que el sistema también podría ser utilizado para explorar la mesosfera. Pero incluso si eso no termina siendo realista, sigue siendo un aspecto interesante de la física.
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