Algunos metales se encuentran en forma líquida, siendo el principal ejemplo el mercurio. Pero también hay enormes cantidades de metal líquido en el núcleo de la Tierra, donde las temperaturas son tan altas que parte del hierro se funde y sufre complejos flujos. Ahora, un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) simuló un proceso similar en el laboratorio y realizó un descubrimiento sorprendente: en determinadas circunstancias, el flujo de metal líquido es mucho más turbulento de lo esperado, y esto tiene un efecto significativo. impacto en el transporte de calor, presenta el grupo en la revista Cartas de revisión física.
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, revolviéndose y circulando continuamente. Actúa como una dínamo, haciendo que se genere el campo magnético de nuestro planeta. Una fuerza impulsora de este comportamiento de flujo complejo del hierro es la rotación de la Tierra, otra es lo que se conoce como «convección», impulsada por las diferencias de temperatura: similar a la forma en que el aire caliente se eleva por encima de un radiador, donde desplaza el aire más frío, relativamente caliente. el hierro en el núcleo de la Tierra fluye hacia áreas más frías, lo que resulta en una transferencia de calor. Sin embargo, hasta el momento, se sabe poco acerca de cómo se llevan a cabo estos procesos en detalle. Para comprenderlos mejor, los expertos deben basarse en cálculos teóricos y simulaciones por computadora, así como en experimentos que simulan lo que está sucediendo, al menos hasta cierto punto, a escala de laboratorio.
Uno de estos experimentos se llevó a cabo recientemente en el Instituto de Dinámica de Fluidos de HZDR. «Tomamos dos recipientes cilíndricos: uno relativamente pequeño del tamaño de un balde y el otro con forma de barril con un volumen de 60 litros», explicó el líder del proyecto, el Dr. Tobias Vogt. «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.
El ultrasonido proporciona una vista en profundidad
Esta diferencia sustancial de temperatura hizo que el metal líquido dentro de los recipientes se agitara: impulsadas por la convección, las áreas de flujo localmente más cálidas, como las columnas, se elevaron y se mezclaron con las partes más frías, de manera similar a una lámpara de lava. Sin embargo, dado que la aleación de metal utilizada por el equipo es opaca, tuvieron que recurrir a una técnica analítica especial: «Es un método de ultrasonido utilizado en medicina», explicó el Dr. Sven Eckert, Jefe del Departamento de Magnetohidrodinámica del HZDR. «Instalamos alrededor de 20 sensores ultrasónicos en los recipientes, lo que nos permitió detectar cómo fluye el metal líquido dentro de ellos».
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 puede transportar el calor de manera muy efectiva entre la parte superior y la inferior», informó Vogt. «De hecho, pudimos observar este viento térmico en la embarcación más pequeña, pero con la embarcación 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 de menor escala en lugar de unos pocos remolinos grandes, lo que hace que el transporte de calor sea menos efectivo», afirmó Vogt.
Implicaciones para la tecnología de baterías
Estos nuevos hallazgos podrían tener implicaciones para lo que sucede en el núcleo de la Tierra: «Para comprender lo que está sucediendo, los expertos están tratando de 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 de manera menos efectiva bajo ciertas condiciones de lo que habían sugerido 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 muchas veces más complejos que en nuestros experimentos de laboratorio», agregó Tobias Vogt. «Por ejemplo, el flujo de hierro líquido también está influenciado por el campo magnético y la rotación de la Tierra; en última instancia, sabemos muy poco sobre estos procesos de flujo».
De hecho, los nuevos hallazgos también podrían resultar relevantes para la tecnología, especialmente en áreas relacionadas con metales líquidos. Por ejemplo, los metales líquidos se utilizan en algunos tipos de baterías, así como en futuras plantas de energía solar y reactores de fusión fría. Para poder observar aún más de cerca el transporte de calor en metales líquidos, el equipo de HZDR está trabajando actualmente en una técnica analítica avanzada. «Se espera que los sensores de inducción especiales registren los flujos con mayor detalle que antes y produzcan verdaderas imágenes en 3D», comentó Sven Eckert. «Nuestras mediciones iniciales son muy prometedoras».