Congreso Argentino de Tecnología Espacial/2000

LABORATORIO DE MICROGRAVEDAD EN ARGENTINA Jorge LASSIG, Eliana A de DELGADO, Alejandro ALVAREZ* y Pablo SCUSSOLIN Universidad Nacional del Comahue Facultad de Ingeniería Buenos Aires 1400 8300 Neuquén – ARGENTINA Telefax: 0299-449-0322 E-mail: [email protected] * Asociación Argentina de Tecnología Espacial Regional Comahue, Castro Rendón 1034, (8300) Neuquén - Argentina

La experiencia adquirida, nos ha permitido preparar cuatro experimentos para ser ejecutados próximamente en un vuelo espacial a bordo del Space Shuttle de la NASA. Si bien hasta la fecha lo realizado son estudios básicos, las posibles aplicaciones se orientan al campo de los fluidos en medios porosos, el mejoramiento de la metalurgia terrestre, la atomización de gotas, y la obtención de materiales mono cristalinos.

RESUMEN El campo de estudio de los fluidos en micro gravedad es una disciplina científica de reciente creación. Desde 1995 en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Comahue, se están desarrollando trabajos de investigación y experimentación en micro gravedad en el campo de la Física de los Fluidos. Las áreas abarcan: capilaridad, convección impulsada por fuerzas de tensión superficial, generación de puentes líquidos y dinámica de gotas. Para ello se dispone de un tanque de flotación neutral para simular condiciones de micro gravedad, y una torre de caída libre que permite realizar pruebas en micro gravedad por 1,5 segundos. Infraestructura básica para constituir el Primer Laboratorio sobre Micro Gravedad en Latinoamérica. Se describen los instrumentos que constituyen el Laboratorio de Microgravedad, como los experimentos que en él se realizan. En 1997 hemos ensayado tres equipos científicos, en vuelos parabólicos a bordo del avión KC-135 de la NASA en Ellington Field, Houston..

1.- INTRODUCION El efecto principal sobre los fluidos, debido a la falta de gravedad es que se manifiestan en toda su expresión las fuerzas de tensión superficial. Ellas tienen un interés físico y tecnológico, desde la generación de gotas y burbujas, hasta procesos industriales. El número de Bond relaciona los efectos de gravedad sobre los de tensión superficial: Bo = ρ. g . d 2/ σ

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donde σ es la tensión superficial entre la fase de los dos fluidos, d es la dimensión característica, ρ la densidad del fluido, y g la aceleración de la gravedad. Pequeños números de Bond significa que los fenómenos de tensión superficial predominan frente a los gravitatorios. Esto

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Derechos de Publicación para la Asociación Argentina de Tecnología Espacial y los Autores del Trabajo. 1

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significa que, si mantenemos las mismas propiedades físicas del fluido, y se reduce la gravedad, podríamos mantener el mismo número de Bond aumentando el tamaño del objeto. Así podemos utilizar el medio ambiente espacial como un laboratorio para experimentar procesos terrestres, que debido al tamaño de sus dimensiones (micrones) son muy difíciles de monitorear en Tierra.

(a) Torres de caída libre (de 1 á 10 segundos) como la del Centro Europeo de Usuarios de Microgravedad ZARM-LAB en Bremen, Alemania, o la JAMIC en Japón; (b) Vuelos parabólicos de aeronaves (de 20 á 30 segundos) como los realizados por la NASA con los KC-135 o los de la Agencia Espacial Europea con aviones Airbus 320 [2], o Rusos con aeronaves Ilyushin 76-MDK [3]; (c) Vuelos de cohetes sondas (de 5 á 10 minutos de ingravidez) como los de los proyectos Maser [4] y Texus [5], que han permitido estudiar más realmente estos fenómenos. Pero el máximo logro fue en los vuelos tripulados de larga duración, ya sea con los proyectos Skylab [6], Salyut, Mir y Shuttle [7], en donde fue posible planificar experimentos de fluidos en ingravidez con suficiente extensión de tiempo para los mismos. Podemos decir que esta disciplina es muy joven. La ciencia de los fluidos ingrávidos revela 4 áreas o grupos de interés principales, a saber: 1.- Física Molecular: el interés se concentra en poder estudiar los fenómenos en el punto crítico, sin disturbios. 2.- Propiedades Termodinámica y Coeficientes de Transporte: las mediciones de aquellas cantidades en micro gravedad se favorece porque pueden levitar fácilmente, y no existe la convección natural. Las aplicaciones incluyen la elección y desarrollo de grandes y completas teorías. 3.- Calor clásico y Transferencia de masa: permiten realizar los típicos experimentos de cambios de fase y fácilmente se pueden determinar los coeficientes de transferencia. Los problemas pueden ser planteados en variables adimensionales, y el resultado de los parámetros de los grupos dimensionales obtenidos en el espacio pueden ser extrapolados en busca de condiciones inaccesible sobre la tierra. 4.- Dinámica de Fluidos: a través del calor y la transferencia de masa se pueden generar importantes cantidades de movimientos. Se deberán resolver matemática y experimentalmente las ecuaciones diferenciales correspondientes. Este último ítem es el objeto de nuestros trabajos.

Figura 1: esquema donde se indican los distintos modos de obtener microgravedad.

Ya por la mitad del siglo XIX hubo un interés en ello cuando Plateau [1] y otros pioneros utilizaron técnicas de flotación neutral para estudiar los fenómenos de capilaridad, de alguna forma contrarrestando la gravedad, aunque no anulando los gradientes de presión hidrostática. Más recientemente se han obtenido condiciones de ingravidez a través de: 2

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un chorro de fluido saliendo por un inyector, para generar gotas de gran tamaño, destinado a un experimento a desarrollarse en un GAS Canister en el Space Shuttle que deberá medir las vibraciones en gotas debido a la tensión superficial.

2.- METODOLOGIA El Laboratorio de Microgravedad en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional del Comahue consta de: dos pequeños tanques de flotación neutral, y una torre de caída libre.

2.2.- Torre de Caida Libre 2.1.- Tanques de Flotacion

En el año pasado se ha construido la primer torre de caída libre de Latinoamérica, para experimentos en micro gravedad. El lugar físico es en el edificio principal de la Facultad de Ingeniería de la UNC, en donde se acondicionó un espacio existente de una superficie de 30 m2, disponiendo de 12 m de caída libre, obteniendo 1,5 segundos de micro gravedad. El sistema consiste de una cápsula con un volumen de unos 30 litros, en donde se alojan los experimentos, una cámara color micro vídeo, y el equipo de telemetría. Cuando se lanza la cápsula, se realiza una filmación para observar cómo se comportan los fluidos en los contenedores. La filmación se realiza por medio de la micro cámara de vídeo. Las imágenes son transmitidas por medio de un transmisor de microondas (banda de 1.2 Ghz) en tiempo real. Las señales de TV son recibidas en el receptor, visualizadas en un monitor y grabadas en vídeo cassette para su posterior análisis y reproducción, cuadro por cuadro. El canal de audio asociado a la imagen de la cámara se utiliza para sincronizar los cuadros, y por medio de él se envían otros datos telemétricos desde el interior de la cápsula. Para que los experimentos puedan desarrollarse en torres de caída libre, es necesario que los tiempos característicos (t) de las principales variables físicas, estén en el rango de los tiempos características de micro gravedad de dichas torres.

Foto 1: Tanque de flotación neutral para ensayo de gotas.

Los tanques de flotación neutral son una herramienta para simular efectos de microgravedad, ya que estos consisten en la propiedad que tienen dos líquidos inmiscibles a igual densidad. Para ello se suele utilizar como líquido madre una mezcla de agua-alcohol, que iguale la densidad de por ejemplo un aceite siliconado, que se usa como fluidos de ensayo. La gravedad no se anula (existe presión hidrostática dentro de los fluidos), pero al ser inmiscibles, la Tensión Superficial gobernará sobre las formas y movimientos. El proyecto comenzó como una iniciativa de actualización del área de Mecánica de los Fluidos de dicha Facultad. Se construyó un pequeño tanque de flotación para uso didáctico, en donde se realizaron las primeras experiencias sobre formación de gotas y coalescencia entre ellas. Luego se construyó un segundo tanque de flotación con el objeto de realizar una serie de experimentos, para determinar las condiciones de adherencia o no adherencia de

t = µ . L / σ (2) donde µ es la viscosidad dinámica, L es la longitud característica, y σ la Tensión Superficial. 3

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Figura 2: esquema de la telemetría de la cápsula y su recepción, para los experimentos que se realizan en la Torre de Caída Libre de la FI-UNC.

Fueron necesarios realizar estos ensayos, ya que en el experimento a desarrollarse a bordo del Space Shuttle, es condición necesaria que las gotas se adhieran al pico del inyector, para poder medir en ellas la vibración superficial.

3.- RESULTADOS 3.1.- Adherencia de Gotas en el Pico Inyector En este trabajo se determinaron las regiones donde el fluido eyectado se adhiere, no se adhiere, y la zona de transición entre ambos fenómenos [8].

Foto 2: serie de gotas no adherida que forman una cadena, la cual es llenada por coalescencia

Figura 3: el gráfico ilustra los resultados de los ensayos sobre adherencia de las gotas al pico inyector. 4

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diseñar adecuadamente la geometría de la unión del tubo al recipiente, objeto del traslado. Se han calculado los tiempos característicos para diseñar el experimento, tanto por efectos por tensión superficial y por viscosidad, pues el objetivo del mismo es determinar si la forma geométrica influye en la velocidad de escurrimiento. Para lograr esto hay que hacer que los efectos de viscosidad no intervengan en el ensayo, para ello los mismos deben ser mayores a los tiempo de duración del experimento (estimado en 1,5 segundos). Para la viscosidad el tiempo característico es:

3.2.- Puentes Líquidos También hemos comenzado a familiarizarnos en generar puentes líquidos entre dos discos, para diseñar un futuro experimento para controlar el crecimiento de cristales en micro gravedad. Los diagramas de estabilidad para la formación de puentes líquidos fueron establecidos entre otros por el grupo que preside el Dr. Messeguer [9], pero el know-how de cómo hacerlos, es algo que se logra con la experimentación, estos son los actuales objetivos de los trabajos: adquirir las técnicas para poder generar puentes líquidos en ambientes de micro gravedad.

t ≅ L2 / 2 ν

(3)

donde ν es la viscosidad cinemática. Usando la ecuación (3), para L=10 cm es decir el largo del tubo, el tiempo característico es de 5000 seg mucho mayor que el del experimento, y para L=1 cm da 50 seg, también mayor que el tiempo del experimento, por lo que la viscosidad no influirá en el mismo. El tiempo característico para los efecto de tensión superficial según la ecuación (2), son haciendo los cálculos para L=10cm el t=0.0001seg, y para L=1cm entonces t=0,1seg, en ambos mucho menor que el tiempo del experimento, por lo que los efectos de tensión superficial estarán presentes en el experimento.

Foto 3 : una simulación en el tanque de flotación neutral intentando formar un puente líquido

3.3.- Capilaridad

3.3.1.- Aparatos y Equipos

La forma de la geométrica de la sección de un tubo afecta la condición del ángulo de contacto, como lo determinó Concus en 1986 [10]. También si la interfase está en movimiento, dicho ángulo se altera, dando lugar a lo que se denomina ángulo de contacto dinámico [11]. Esto genera un nuevo concepto de como transportar fluidos dentro de una nave espacial sin necesidad de bombas, pues si la condición se cumple, entonces el fluido escurre por todo el tubo. Para que esto se pueda aplicar, es necesario determinar las velocidades de avance del fluido en el tubo. También será necesario

Para llevar adelante este experimento se han construido 3 contenedores en teflón de un volumen de 12,67 cm3 conteniendo agua coloreada (depósito A), en el extremo superior de cada uno hay un block de pexiglass transparente, en los cuales se han maquinado canales de forma: triangular, cuadrado y hexagonal; como también el depósito B de llegada del agua coloreada (de 2 cm3), como el circuito de purga del aire para cuando el mismo se llene. Este circuito sale externo al bloque de pexiglass por medio de un pequeño tubo de teflón y grillón, y se conecta al bloque de teflón que contiene el depósito A. 5

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Figura 4: esquema del aparato que se utiliza en los ensayos en la Torre de Caida Libre, para determinar las velocidades de desplazamiento en tubos de variadas secciones geométricas

El motivo de usar teflón en los tubitos conductores es para que en el periodo de ingravidez estos actúen como válvula anti retorno del agua, no así para el aire.

contacto mayor á 90 grados, no lo mojará, asegurándose de esta manera, que al comenzar la ingravidez, el fluido se dirija al tubo practicado en el pexiglass, que sí moja el agua. Este trabajo aún se encuentra en ejecución. 4.- CONCLUSIONES Para planificar experimentos en microgravedad a realizarse en el espacio, es muy importante adquirir previamente experiencia de cómo reaccionan sus componentes en ese medio ambiente, por lo que el disponer de instrumental que permita simular y/o experimentar en microgravedad, aunque sea por breves segundos, es de vital importancia. Para ello se debe crear la infraestructura terrestre necesaria. A la fecha, el equipamiento construido en el ámbito de la Universidad Nacional del Comahue, nos ha permitido realizar estudios sobre dinámica de gotas, las cuales derivaron en el diseño y construcción de un aparato para generar en el espacio gotas gigantes de agua, el cual fue ensayado con éxito a bordo de la aeronave KC-135 de la NASA en Ellington Field, EE.UU., en repetidas parábolas que realiza dicha aeronave. También, como otros ensayos realizados en la TCL, nos han ayudado a planificar los experimentos denominados FLUMING: Fluidos

Foto 4: vista exterior de la Torre de Caída Libre de la FI-UNComahue, en Neuquén.

El depósito A es de teflón, para que el agua allí contenida, por tener un ángulo de 6

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en Medios Ingrávidos, que volarán en el Space Shuttle en Febrero de 2001 (STS-102), en el denominado Paquete Argentino de Experimentos (P.A.D.E.) [12]. Los experimentos del Fluming [13] son cuatro, el primero sobre capilaridad en tubos no circulares, el segundo sobre mediciones de vibraciones en gotas gigantes de agua, el tercero es un experimento para generar movimientos por convección de Marangoni, y el cuarto es una simulación de flujos geofísicos.

[2] Vago,J.L., 1998; PARABOLIC FLIGHT ACTIVITIES WITH THE AIRBUS A320 ZÉRO-G; Microgravity News, Vol 11, Nº1, ESA. [3] Pletser,V.; MICROGRAVITY LEVELS MEASURED DURING DEMOSTRATIONS PARABOLIC FLIGHTS WITH THE ILUSHIN 76-MDK; Microgravity News from ESA; Vol.4 Nº 2, Ago 1994, Netherlands. [4] Jan Zaar. and Klas Anggard, 1986; MASER AND ITS EFFECTIVENESS AND EXPERIMENTAL RESULTS; Swedish Space Corporation, Solna, Sweden, 1986. [5] Monti,R.; Fortezza,R. And Mannara,G. 1988; RESULTS OF THE TEXUS 14B FLIGHTS EXPERIMENT ON A FLOATING ZONE. FIRST APPROACH TOWARDS TELESCINCE IN FLUID SCIENCE; Acta Astronautica Vol.17, Nº11 y 12, 1988, Great Britain. [6] Siebel,M., 1974; THE THIRD SKYLAB MISSION: SKYLAB RESULTS; NASA. [7] Siebel,G., 1994; ESA MICROGRAVITY PAYLOADS ON IML 2; Micro gravity News, Vol.7, N#1, Apr 1994, ESA, The Netherlands [8] Lassig, J. Et all; “A SYSTEM FOR GENERATING AND ANALYZING GIANT WATER DROPS”; 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; Jan/99, Reno, USA. [9] Messeguer, J. et all; A REVIEW ON THE STABILITY OF LIQUID BRIDGES; Adv. Space Res. Vol. 16, Nº 7, 1995. [10] Concus, P.; “EQUILIBRIUM FLUID INTERFACES IN THE ABSENCE OF GRAVITY”; Dto. of Mathematics, University of California, Berkelet, California, USA, 1987. [11] Zimmermann,E. and Siekmann,J,; EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE DYNAMIC CONTACT ANGLE; Appl. Microgravity Tech. II, 1989. [12] Shrewsberry, D.J.; “SHUTTLE PLAYLOAD OPPORTUNITIES”; First United States-Argentina Joint Conference on Space, Science and Technology for Society; Sep/97, Buenos Aires, Argentina. [13] Lassig, J. Et all; “ARGENTINE FLUIDS EXPERIMENT IN MICROGRAVITY”; 50th International Astronautical Congress, Oct/99, Amsterdam, The Netherlands.

Foto 5: vista de los contenedores de los experimentos que integran el GAS Canister G-761 P.A.D.E., que volarán enb el Space Shuttle en el 2001.

AGRADECIMIENTOS Estos trabajos se han realizado con subsidios otrogados por la Secretaría de Investigación de la Universidad Nacional del Comahue.

REFERENCIAS [1] Plateau,J., 1873; STATIQUE EXPÉRIMENTALE ET THÉORIQUE DES LIQUIDES SOUMIS AUX SEULES FORCES MOLÉCULAIRES; Gauthiers/Villars, Paris, 1873. 7