El extraño comportamiento de un líquido en el espacio

La próxima vez que se sirva un vaso con agua, haga una pausa antes de beberlo. Primero, forme remolinos con el agua transparente que hay en el vaso. Muévala suavemente hacia adelante y hacia atrás como si la fuera a derramar. Golpee levemente el vaso contra la mesa y observe los patrones que se forman en la superficie.

Ahora imagine hacer el mismo ejercicio, pero bajo gravedad cero. ¿Las olas pequeñas se verían igual? ¿El líquido se derramaría más, o menos? ¿Más rápidamente o más lentamente?

Es la propuesta que nos hace la NASA, tal y como describe esta agencia en un comunicado, para escenificar esta compleja situación.

El interés de los ingenieros de la NASA no se centra en el vaso con agua, sino en los tanques de combustible. Los cohetes más poderosos de la NASA utilizan combustible líquido y, cuando estos cohetes despegan, los propelentes se derraman.

Los científicos tienen una idea de cómo se derraman los líquidos en la gravedad normal de la Tierra, donde el peso y la viscosidad del líquido dominan su dinámica. Pero en el espacio profundo es diferente. Los propelentes sin peso están guiados por la tensión de la superficie y los efectos capilares. Lejos de la Tierra, podrían derramarse y formar espuma de maneras inesperadas.

“Los modernos modelos creados por computadora intentan predecir la manera en la cual los líquidos se mueven dentro de un tanque de combustible”, dice Brandon Marsell, del Fluid Group (un grupo que investiga los líquidos), de la NASA, en el Centro Espacial Kennedy (Kennedy Space Center, KSC, por su sigla en idioma inglés). “La mayoría de los modelos que tenemos fueron validados bajo condiciones de 1 g en la Tierra. Ninguno de ellos ha sido validado en microgravedad”.

“La Estación Espacial Internacional (International Space Station o ISS, por su sigla en idioma inglés) brinda el ambiente perfecto para llevar a cabo estudios sobre el comportamiento de los líquidos en microgravedad”, señaló el investigador principal Paul Schallhorn, también del centro Kennedy. “Así que hemos diseñado un experimento que simula la manera en la cual los combustibles de los cohetes se mueven en el interior de los tanques”.

Construido por el profesor Dan Kirk y algunos colegas en el Instituto de Tecnología de Florida (Florida Institute of Technology, en idioma inglés), SPHERES-Slosh es, principalmente, una cámara de líquidos que está sostenida por un par de robots del tamaño de una pelota de bowling. Los dos SPHERES (que son un producto del Laboratorio de Sistemas Espaciales o Space Systems Laboratory, en idioma inglés, en el MIT) ya estaban colocados a bordo de la estación espacial cuando llegó la cámara Slosh, en febrero de 2014. Juntos, los robots mueven la cámara hacia adelante y hacia atrás para imitar las maniobras frecuentes de la nave espacial, como la “BBQ roll”, los ajustes de actitud y el apagado de los motores.

En el año 2014, astronautas supervisaron a los robots cuando hicieron tres pruebas de funcionamiento usando cámaras con líquidos a las que habían llenado un 20% y un 40%; lo que es muy parecido a un tanque de combustible cuyo contenido se ha gastado parcialmente.

“Usamos agua mezclada con un poco de colorante para alimentos de color verde”, dice Schallhorn.

¿Por qué agua? “Por un lado, es un líquido seguro para la estación espacial. El agua se encuentra mencionada en la lista de líquidos aprobados para enviar a la estación”, explica. “Además, su viscosidad es similar a la de la hidracina, un propelente que se usa para los satélites; y su densidad es parecida a la del oxígeno líquido, que es un importante propelente criogénico”.

Durante los experimentos, que pueden durar hasta seis horas, las cámaras, los giroscopios y los acelerómetros registran los movimientos del agua.

“Estamos obteniendo valiosos datos”, dice Marsell. “Hasta ahora”, agrega, “nuestros modelos realizados por computadora, en la Tierra, han hecho un buen trabajo en la predicción de los movimientos de la ola dentro de la cámara”.

Pero... hay un misterio.

“Tiene que ver con las burbujas”, dice Schallhorn. “La manera en la cual se forman las burbujas y en la cual interaccionan dentro de la cámara es sorprendente; y los modelos no la predicen. Lo que vimos en los datos nos tomó desprevenidos”.

La formación de burbujas relativamente estables al agitar líquidos es una investigación de vanguardia en el área de la dinámica de líquidos, y SPHERES-Slosh está demostrando que puede llegar a ser muy importante.

Jacob Roth, del Fluids Group, en el KSC, agrega: “Esto es algo que planeamos investigar más. ¿Quién sabe? Simplemente podría sacudir todo lo que sabemos sobre los líquidos en el espacio”.