‘Fluidos’

Materiales para generación de energía eléctrica: superficies optimizadas para la transmisión de calor

Una de las etapas importantes en las centrales de producción de energía eléctrica es la condensación de vapor de agua. Un reciente estudio, pubicado en Scientific Reports, describe cómo puede mejorarse en un 100% la eficiencia de la transmisión de calor en esta etapa con una superficie heterogénea combinando diferentes materiales.

En las centrales termoeléctricas actuales se convierte calor en energía mecánica y después eléctrica mediante un ciclo termodinámico realizado por agua. Primeramente, se aumenta la presión de agua líquida en una bomba. Después, el agua se calienta, haciendo que pase a estado vapor y aumente su temperatura (a partir del calor generado mediante combustibles fósiles, mediante energía nuclear o incluso mediante energía solar). Después este vapor de agua a alta presión se emplea para hacer girar una turbina y posteriormente el vapor debe enfriarse y condensarse en un condensador. Típicamente se emplea el agua fría de un río para enfriar el condensador.

En el condensador, se consigue una buena eficiencia (lo cual supone un menor tamaño y coste del condensador) si se realiza fácilmente el intercambio de calor entre el vapor de agua que se quiere condensar y los materiales del condensador. Pues bien, en este intercambio de calor influye el proceso de formación y desprendimiento de las gotas de agua condensada en la superficie. Una buena eficiencia se consigue si la superficie favorece la nuceación de muchas gotas de agua, un mayor contacto entre cada gota y la superficie (mejor transmisión de calor) y el desprendimiento de las gotas cuando tienen un tamaño pequeño (frente al crecimiento hasta grandes tamaños) para permitir la condensación de nuevas gotas.

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Condenación de vapor en una tubería de cobre optimizada con pequeñas zonas hidrófilas, superficie nanoestructurada y recubrimiento de aceite, obtenida por el grupo de la Pfrof. Evelyn N. Wang.

En épocas recientes se habían hecho los mayores esfuerzos para conseguir superficies hidrófobas que favorecieran el desprendimiento de las gotas. El trabajo mencionado, liderado por la Profesora de Ingeniería Mecánica Evelyn N. Wang, ha pretendido la mejora de la superficie en los tres aspectos. De este modo, la superficie diseñada por su equipo contiene pequeñas zonas hidrófilas que favorecen la nucleación de gotas, una nanorugosidad combinada con micropilares que favorecen el deslizamiento de las gotas y una capa de aceite que favorece el mayor contacto entre las gotas y la superficie, mejorando la transmisión de calor en las gotas.

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Pinturas autorreparables

Por Teresa Palacios (Universidad Politécnica de Madrid)

En los últimos años se están produciendo gran cantidad de avances tecnológicos que nos hacen la vida más fácil y cómoda. En este post, vamos a ver como se pueden utilizar las propiedades de los materiales para el desarrollo de una nueva pintura tecnológica autoreparable que nos permita conservar en perfecto estado objetos cotidianos.

En el año 2005 el fabricante de coches japonés Nissan desarrolló, junto con la Universidad de Tokyo y la empresa japonesa Advanced Softmaterials Inc. una pintura que permitía la autoreparación de pequeños daños superficiales y que actualmente se utiliza en una amplia gama de modelos Nissan e Infiniti. Pero sus avances no han quedado ahí, el mes pasado dieron la noticia de su aplicación fuera del sector de la automoción en Europa (en Japón la tecnología ya es utilizada por el operador móvil NTT DoCoMo) para el desarrollo de carcasas de uno de los dispositivos más de moda últimamente: el iPhone.

Este nuevo producto se denomina “Scratch Shield”. Se trata de una carcasa realizada en ABS, un polímero termoplástico amorfo muy resistente al impacto ampliamente utilizado en la industria del automóvil, y recubierta con esta nueva pintura tecnológica que permite devolver la estructura a su forma original. Esta pintura, que además es más resistente que una pintura convencional, protege las capas internas de la rotura, ayudando así a mantener la apariencia como si fuera nuevo durante más tiempo.

Pero, ¿en qué consiste? se trata de una pintura transparente realizada con polyrotaxane, una supramolécula formada por moléculas cilíndricas en torno a un eje formado por una cadena molecular (ver figura 1) altamente elástica y flexible que permite que cuando una pequeña fuerza se aplica contra ella, por ejemplo un arañazo, la estructura química reaccione para devolver la forma original y rellenar el hueco, reparando de este modo el daño. Estas cadenas se deslizan a través de los aros por lo que al aplicar la fuerza exterior, se mueven y redistribuyen de manera uniforme recuperando su estado inicial con el paso del tiempo. Además, su apariencia de gel permite que sea más resistente a los arañazos que una pintura convencional y una mejor sujeción del dispositivo.

Polyrotaxane (http://www.molle.k.u-tokyo.ac.jp/research/research_2_e.html)

 

Comportamiento de Scratch Shield frente al de un recubrimiento convencional (http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/scratch.html)

El tiempo estimado para que se produzca esta autoreparación dependerá de diversos factores externos tales como la temperatura o la penetración de rayado, aunque puede ser cuestión de minutos. Habrá que tener en cuenta que no es posible reparar arañazos muy profundos, ya que si esta rompe el recubrimiento no será capaz de autorepararse, y que la duración eficaz estimada de esta pintura es de tres años.

Además de Nissan, en el mundo existen otros grupos de investigación trabando para mejorar la reparación de arañazos como la Case Western Reserve University en USA: Imagen de previsualización de YouTube

Fuente:

http://www.nissan-global.com/

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Todos los materiales son pegajosos

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Unas décadas antes de que llegara el agitado siglo XX, el físico holandés van der Waals se dio cuenta de que las moléculas de los gases y líquidos son pegajosas. Se atraen unas a otras. Esta atracción es en realidad electrostática y se produce a pesar de que las moléculas no estén cargadas eléctricamente, es decir, de que tengan un número igual de electrones y de protones. Ocurre por la distribución no homogénea de la carga, esto es, por ser distintos los centros de masa de los electrones y de los protones (éstos últimos en el núcleo de los átomos). La distribución no homogénea de la carga fluctúa a lo largo del tiempo por agitación térmica. El resultado es la fuerza atractiva que se conoce como fuerza de van der Waals.

Las fuerzas de van der Waals permiten que todos los materiales se atraigan, si bien son fuerzas de corto alcance. Sólo son importantes si las distancias son suficientemente pequeñas. Estas fuerzas son uno de los mecanismos de adhesión de los pegamentos, a los cuales pueden contribuir también la formación de enlaces covalentes y la unión mecánica al rellenar poros.

Los guecos (tradicionalmente conocidos en España como salamanquesas) pueden trepar por todo tipo de superficies.

Cuando acercamos la palma de nuestra mano a una pared, las rugosidades impiden que haya una superficie de contacto, a distancia atómica, suficientemente grande. Por ello, no sentimos una gran fuerza debida a las fuerzas de van der Waals. Sin embargo, encontramos en el mundo animal el célebre ejemplo de las salamanquesas (o guecos), que han conseguido aprovechar con éxito las fuerzas de van der Waals para adherirse a cuelquier tipo de superficie. Para ello, la cara inferior de sus dedos está cubierta de pelillos de pequeñísimo tamaño, suficientemente flexibles como para que muchos de ellos estén en contacto con el material de apoyo, de modo que una gran superficie de contacto a distancias atómicas garantiza que la fuerza total de van der Waals sea tan grande como para soportar el peso del animal. Si se tiene la suerte de encontrar uno de estos animales (posible incluso en las zonas verdes de una ciudad como Madrid) se puede aprovechar para observar estas sorprendentes características, además de disfrutar de su belleza.

Imagen inferior de los dedos de un gueco (o salamanquesa).

Los guantes que utiliza Tom Cruise cuando trepa por la fachada del edificio más alto del planeta en “Misión imposible IV”, estrenada hace unas semanas, se inspiran en esta idea, y pretenden ser unos “guantes de gueco” (“gecko gloves”). En realidad, aún se sigue trabajando en el desarrollo de tales guantes.

 

Para saber más sobre interacciones moleculares (ampliando esta descripción simplista), una posible referencia es “Química física”, Atkins, de Paula. Ed. Panamericana. Una rápida introducción en inglés puede entontrarse en este enlace. Además, este artículo en Nanotoday describe las ideas de base para los “guantes de gueco”.

Notas. En algunos casos no hay atracción sino repulsión entre dos materiales, en particular cuando ambos tienen carga eléctrica de igual signo o cuando se enfrentan dos materiales imanados en sentidos opuestos, es decir cuando se enfrentan los polos iguales de dos imanes. También estas interacciones son electromagnéticas.

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Badén inteligente

Por Konstantina Konstantopoulou , Licenciada en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

El desarrollo y la investigación en nuevos materiales pueden cambiar y facilitar mucho nuestra vida diaria. Un buen ejemplo de esto es el nuevo desarrollo realizado por la empresa española Badennova, el “Badén inteligente”.
Los badenes convencionales consiguen regular la velocidad de los vehículos pero a la vez producen frenadas bruscas, molestias a los usuarios, contaminación acústica y ambiental y el deterioro de los amortiguadores, independientemente de la velocidad a la que se atraviesen estos obstáculos.

Con el fin de evitar estos inconvenientes, la empresa Badennova en colaboración con investigadores de la Universidad de Málaga ha desarrollado el “Badén inteligente”. Este badén se diferencia de los convencionales por tener un comportamiento muy distinto al paso de los vehículos, dependiendo de la velocidad que lleva el vehículo. Si el vehículo pasa a baja velocidad, este badén no opone resistencia y no sufren las ruedas ni los amortiguadores y sobre todo los pasajeros. Cuando el vehículo pasa a velocidad superior a la recomendada, el badén se comporta como un badén convencional.

El nuevo badén consta de dos componentes diferenciados: un recipiente y el fluido que lleva en su interior. La clave para conseguir la respuesta deseada es que el fluido muestre una viscosidad diferente dependiendo del valor del impacto recibido por las ruedas del vehículo al circular este a diferente velocidad. Este fluido se trata de un material no-newtoniano, en el que las partículas que lo componen se encuentran en movimiento de manera habitual, con lo que se muestra como un líquido. Sin embargo, las partículas se alinean en el momento en el que el material recibe un impacto, pasando de manera inmediata a un estado sólido.

Badén inteligente

El desarrollo del fluido interno se ha conseguido partiendo de las investigaciones del Dr. D. Francisco José Rubio Hernández, profesor de la ETS de Ingeniería Industrial de la Universidad de Málaga. Gracias al uso de este material, se consigue que el badén no ofrezca ninguna resistencia al paso de los vehículos que respetan la velocidad indicada, pero sí supone un obstáculo para aquellos que no lo hagan. Por otro lado, un equipo de tres ingenieros trabaja, con el apoyo del centro Andaluz de Plástico y Tecnología, sobre el material envolvente, centrándose en su degradación, facilidad de instalación y reciclaje.

El “Badén inteligente” ha recibido los premios a la mejor Innovación Tecnológica, otorgado por la Fundación Española de Seguridad Vial (Fesvial) y a la Innovación Intertraffic 2010, en la categoría de seguridad por su innovador sistema.

Para más información: http://www.badennova.com/

 

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