24.05.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Turbulencia sorprendente: El equipo de HZDR encuentra un comportamiento inesperado del flujo en los metales líquidos

Consecuencias para la tecnología de las baterías

Algunos metales se encuentran en forma líquida, el principal ejemplo es el mercurio. Pero también hay enormes cantidades de metal líquido en el núcleo de la Tierra, donde las temperaturas son tan elevadas que parte del hierro se funde y experimenta flujos complejos. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha simulado ahora un proceso similar en el laboratorio y ha hecho un descubrimiento sorprendente: En determinadas circunstancias, el flujo de metal líquido es mucho más turbulento de lo esperado, y esto tiene un impacto significativo en el transporte de calor, presenta el grupo en la revista Physical Review Letters. Los editores encontraron este nuevo hallazgo tan notable que destacaron el artículo como "Sugerencia del editor".

Las temperaturas en el interior de la Tierra son tan altas que parte de su núcleo de hierro es líquido. Este hierro líquido está en constante movimiento, agitándose y circulando continuamente. Actúa como una dinamo, provocando la generación del campo magnético de nuestro planeta. Una de las fuerzas motrices de este complejo comportamiento del flujo del hierro es la rotación de la Tierra, otra es lo que se denomina "convección", impulsada por las diferencias de temperatura: Al igual que el aire caliente sube por encima de un radiador, donde desplaza al aire más frío, el hierro relativamente caliente del núcleo de la Tierra fluye hacia zonas más frías, lo que provoca una transferencia de calor. Sin embargo, todavía se sabe poco sobre cómo se producen estos procesos en detalle. Para entenderlos mejor, los expertos tienen que recurrir a cálculos teóricos y simulaciones por ordenador, así como a experimentos que simulan lo que ocurre -al menos hasta cierto punto- a escala de laboratorio.

Uno de estos experimentos se realizó recientemente en el Instituto de Dinámica de Fluidos del HZDR. "Tomamos dos recipientes cilíndricos: uno relativamente pequeño, del tamaño de un cubo, y otro con forma de barril y un volumen de 60 litros", explicó el Dr. Tobias Vogt, director del proyecto. "Llenamos estos recipientes con una aleación metálica de indio, galio y estaño, que es líquida a temperatura ambiente". Los expertos calentaron el fondo de los recipientes mientras enfriaban la parte superior, creando una diferencia de temperatura de hasta 50 grados centígrados entre las capas superior e inferior.

Los ultrasonidos ofrecen una visión en profundidad

Esta gran diferencia de temperatura hizo que el metal líquido del interior de los recipientes se agitara: Impulsado por la convección, las zonas de flujo localmente más calientes, como las columnas, se elevaron y se mezclaron con las partes más frías, de forma similar a una lámpara de lava. Sin embargo, como la aleación metálica utilizada por el equipo es opaca, tuvieron que recurrir a una técnica analítica especial: "Se trata de un método de ultrasonidos utilizado en medicina", explicó el Dr. Sven Eckert, jefe del Departamento de Magnetohidrodinámica de la HZDR. "Instalamos unos 20 sensores ultrasónicos en los recipientes, lo que nos permite detectar cómo fluye el metal líquido en su interior".

Al analizar los datos, el grupo de investigación hizo un descubrimiento sorprendente. Durante los experimentos, los expertos esperaban encontrar la agrupación de áreas de flujo individuales para formar una estructura mayor y más extensa, conocida como circulación a gran escala. "Esto es comparable a un viento térmico, que es capaz de transportar el calor de forma muy eficaz entre la parte superior y la inferior", informó Vogt. "De hecho, pudimos observar este viento térmico en el recipiente más pequeño, pero con el recipiente más grande, el barril, las grandes diferencias de temperatura llevaron a una ruptura casi completa del viento". Esto significaba que el calor no se transportaba con la eficacia esperada. "Creemos que la causa de esto es la formación de turbulencias a escala mucho más pequeña, en lugar de unos grandes remolinos, lo que hace que el transporte de calor sea menos eficaz", declaró Vogt.

Implicaciones para la tecnología de las baterías

Estos nuevos hallazgos podrían tener implicaciones para lo que ocurre en el núcleo de la Tierra: "Para entender lo que ocurre, los expertos intentan extrapolar los resultados de los experimentos de laboratorio a la escala de la Tierra", explicó Sven Eckert. "Pero ahora hemos demostrado que el calor se transporta con menos eficacia en determinadas condiciones de lo que sugerían los experimentos anteriores". Esto significa que las predicciones para la Tierra probablemente también producirán valores diferentes. "Sin embargo, los procesos de la vida real en el núcleo de la Tierra son mucho más complejos que en nuestros experimentos de laboratorio", añadió Tobias Vogt. "Por ejemplo, el flujo de hierro líquido también está influenciado por el campo magnético y la rotación de la Tierra; en definitiva, sabemos muy poco sobre estos procesos de flujo".

De hecho, los nuevos descubrimientos también podrían resultar relevantes para la tecnología, especialmente en las áreas relacionadas con los metales líquidos. Por ejemplo, los metales líquidos se utilizan en algunos tipos de baterías, así como en las futuras plantas de energía solar y en la refrigeración de los reactores de fusión. Para poder observar aún más de cerca el transporte de calor en los metales líquidos, el equipo del HZDR está trabajando actualmente en una técnica analítica avanzada. "Se espera que los sensores de inducción especiales registren los flujos con mayor detalle que hasta ahora y produzcan verdaderas imágenes en 3D", señaló Sven Eckert. "Nuestras primeras mediciones son muy prometedoras".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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