Mediante el uso de tecnología no demasiado distinta de la que actualmente hay en el refrigerador de su cocina, los ingenieros están utilizando bombas de calor, disipadores de calor y tubos termosifones bifásicos para enfriar zonas calientes que amenazan el rendimiento de todo, desde satélites a teléfonos inteligentes.
A medida que la tecnología avanza, la administración térmica se vuelve cada vez más importante. Para muchas aplicaciones, un simple disipador de calor y un ventilador pueden ser suficientes, pero para aplicaciones en las que los componentes realmente trabajan y generan mucho calor, se requieren pasos adicionales. Además, algunas funciones son más críticas para los dispositivos electrónicos modernos que tan solo ahorrar energía, y esto es así ya sea que se trate de dispositivos móviles que subsisten con cargas limitadas de la batería o de partes de sondas que viajan por el espacio. Aunque al principio parezca incomprensible, sistemas como estos pueden quitarle al ventilador buena parte de la carga de enfriamiento sin agregarle mucho peso al sistema y permiten ahorrar gran parte de la energía de la batería que, de otra manera, se habría destinado para enfriar.
¿Alguna vez empapó un paño con alcohol, lo frotó sobre el hombro para calmar el dolor y sintió de inmediato el efecto refrescante? Eso sucede porque la temperatura superficial de la piel calienta el alcohol y lo convierte de líquido a vapor; la evaporación se lleva parte del calor de la piel ya que el gas sale del hombro. De modo similar, piense en los muchos tipos de artículos de tocador que se encuentran disponibles en latas como gas presurizado que el consumidor rocía sobre su cuerpo, cuyo resultado es una sensación de frescura. Ese es el resultado de una súbita disminución en la presión del gas. Estos son los principios básicos de las bombas de calor y de la refrigeración.
Cómo funciona un refrigerador
Figura 1: Modelo básico de refrigeración. (Fuente: Charchitecture)
Al observar la figura de arriba, lo primero que se nota es el circuito cerrado de la bomba del compresor, se sigue a través del condensador, la válvula de expansión, el evaporador y, finalmente, se regresa a la bomba del compresor. La bomba extrae el gas desde el evaporador y lo bombea al interior del condensador, que es la parte exterior de un refrigerador que se siente caliente al tacto. Está caliente porque el gas se condensa en un líquido a alta presión. La válvula de expansión permite lentamente que el líquido a alta presión entre al evaporador, un área de baja presión que se debe a la acción del compresor, que ha introducido gas en el condensador desde el evaporador. En el evaporador —debido a la baja presión— el líquido se evapora, creando así el efecto refrescante. Finalmente, el compresor quita el gas desde el evaporador, crea baja presión y el proceso continúa.
Cómo funciona un tubo termosifón bifásico integrado
Los tubos termosifones bifásicos funcionan de una forma algo diferente, y la diferencia más importante es que no requieren una bomba. Esto hace que sea práctico usarlos en aplicaciones que cuentan con poca autonomía energética, como los equipos electrónicos móviles. Y, en verdad, no es una idea muy nueva, dado que se trata de una tecnología ya establecida en los ordenadores portátiles.
Figura 2: Diagrama de un tubo termosifón bifásico. (Fuente: eTray News)
En la CPU —o cualquiera sea la parte que se protege del sobrecalentamiento— el líquido que se encuentra en el tubo termosifón bifásico se calienta hasta llegar a vapor y absorbe el exceso de calor de la CPU, como lo indican las flechas rojas en el lado izquierdo del diagrama. El vapor calentado encuentra cómo llegar al otro extremo de la tubería hermética, que podría tocar un disipador de calor o podría estar expuesta al aire libre. Podría o no contar con un ventilador. En cualquier caso, transfiere su calor, como lo indica un segundo conjunto de flechas rojas, y el gas vuelve al estado líquido.
Ahora el líquido debe volver al área del disipador de calor que está en contacto con la CPU. Hace esto ingresando primero a una red de tubos muy estrechos llamados capilares. A través de un proceso conocido por los físicos como acción capilar, el líquido se introduce en los capilares y viajará por una determinada distancia calculada, incluso contra la gravedad. El sistema ha sido diseñado para que la acción capilar sea suficiente para devolver el líquido a la CPU y el ciclo continúe.
Su computadora tablet ahora tiene un tubo termosifón bifásico integrado
Así es cómo se ve el sistema de tubo termosifón bifásico en Surface Pro IV de Microsoft.
Figura 3: El sistema de tubo termosifón bifásico dentro de Surface Pro IV de Microsoft. (Fuente: Sean Org, Windows Central)
Aquí el líquido es agua. El calor de la CPU transforma el agua en vapor, y el tubo lo transmite al soporte del dispositivo y al ventilador, donde se vuelve a condensar en agua Debido al circuito del termosifón bifásico, el ventilador casi nunca se activa.
Tubos termosifones bifásicos naves espaciales
Los sistemas de control para naves espaciales enfrentan una doble misión. Al igual que en los dispositivos electrónicos terrestres, hay lugares que necesitan que se elimine el calor, pero además —debido a las condiciones de frío extremo— hay otras áreas que necesitan el suministro de calor. Esto ofrece oportunidades, y dificultades, únicas.
Una de las dificultades la plantea el requerimiento de sistemas de doble bucle. El primer bucle es similar a lo que ya hemos visto, que comprende todos los componentes dentro de la nave espacial que se sabe generan exceso de calor. En un punto central de intercambio, hay dos tareas a cumplir. Una es transferir el exceso de calor al segundo bucle, que lleva calor a esas áreas que, expuestas al frío vacío del espacio, necesitan calor extra para funcionar adecuadamente. La segunda es irradiar el calor el calor que no se necesita en el espacio.
Un factor importante a considerar para estos tipos de sistemas es la seguridad de los navegantes espaciales humanos, quienes estarán presentes en las zonas que generan exceso de calor. El primer bucle debe utilizar un líquido de transporte de calor no tóxico para salvaguardar a la tripulación en caso de una pérdida. Este bucle —basado en la acción capilar— puede ser bastante parecido, a nivel básico, al de los sistemas descritos para los dispositivos electrónicos terrestres.
Cuando la topología de una nave espacial hace que sistemas como estos sean una posibilidad viable, se presenta una ventaja única para los diseñadores. Hay enormes ahorros energéticos posibles gracias al uso del calor excesivo que ya se ha generado para suministrar calor a áreas que lo necesitan, en lugar de la otra única alternativa: utilizar la energía de un sistema limitado para generar ese mismo calor. Esto hace que la energía que de otra manera se habría ocupado para calentar esté libre para alimentar a más instrumentos y capacidades integradas, lo cual permite que las misiones sean más fructíferas y en beneficio de todo.
