Liquid nitrogen pre-cooling system for ELT instruments utilizing additively manufactured heat exchangers, integrated temperature and liquid level control

La Paradoja del Helado Cósmico

Imagina que estás intentando congelar una cámara gigante y sensible para un telescopio espacial. No es una cámara cualquiera; está diseñada para ver los susurros más tenues de luz del nacimiento del universo. Para hacer su trabajo, las entrañas de la cámara deben estar más frías que el invierno más profundo de la Antártida. Si se calienta aunque sea un poco, la cámara genera "ruido" y no puede ver las estrellas.

Para enfriar esta cámara, los astrónomos utilizan un truco especial: vierten nitrógeno líquido sobre ella. Piensa en el nitrógeno líquido como una nieve superenfriada e invisible que hierve instantáneamente cuando toca algo caliente. Al hervir, se convierte en gas y roba el calor, dejando a la cámara temblando de frío. Pero aquí está el problema: en la forma antigua de hacer las cosas, esta nieve hirviente es un poco derrochadora. Es como intentar enfriar una habitación lanzando un solo cubo de hielo en un balde y esperando que todo el balde se congele. La mayor parte de la energía fría simplemente escapa al aire en forma de gas, sin llegar a tocar realmente lo que se quiere congelar.

Aquí es donde la historia se pone interesante. Los científicos del Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido querían saber si podían construir un mejor "balde de hielo". Se preguntaron si podrían utilizar una nueva tecnología llamada "fabricación aditiva" (que es solo una forma elegante de decir impresión 3D con metal) para construir un intercambiador de calor —un dispositivo que transfiere el frío— que tuviera una forma que ninguna mano humana podría tallar jamás. ¿Podría una estructura metálica similar a una esponja, creada mediante impresión 3D, capturar más de ese gas frío que escapa y utilizarlo para congelar el telescopio más rápido? Y si lo hicieran, ¿ahorraría dinero en el costoso nitrógeno líquido, o la sofisticada impresora 3D costaría demasiado como para que valiera la pena?

El Capturador de Nieve Impreso en 3D

En este estudio, el equipo construyó una versión en miniatura de un sistema de enfriamiento de telescopio para probar sus ideas. Organizaron una carrera entre tres diferentes "motores de enfriamiento". El primero fue el Motor Convencional, fabricado de la forma tradicional: dos bloques de cobre fueron tallados, pegados con una soldadura de alta temperatura (brazado) y llenos de canales para el nitrógeno líquido. Los otros dos fueron Motores de Fabricación Aditiva (AM), creados por impresoras 3D que colocaban capas de polvo metálico. Uno fue impreso en cobre puro y el otro en una superaleación de aluminio muy resistente llamada Scalmalloy™.

El objetivo era simple: ver qué tan rápido podía cada motor enfriar un bloque pesado de aluminio (que representa el instrumento del telescopio) hasta una temperatura objetivo de 96 K (que es aproximadamente -177 °C). También observaron cuánto nitrógeno líquido "bebía" cada uno para completar la tarea.

Los Grandes Hallazgos

Los resultados fueron una victoria clara para el motor de cobre impreso en 3D. Esto es lo que sucedió:

• Velocidad: El motor de cobre de la vieja escuela tardó 11,485 segundos (unas 3 horas y 11 minutos) en alcanzar la temperatura objetivo. El motor de Scalmalloy impreso en 3D fue más rápido, tardando 9,277 segundos. Pero la verdadera superestrella fue el motor de cobre puro impreso en 3D, que destrozó el récord, alcanzando el objetivo en solo 6,832 segundos (unas 1 hora y 54 minutos). Eso es una reducción del 40.5% en tiempo comparado con el método antiguo.
• Eficiencia: Debido a que el motor de cobre impreso en 3D fue tan rápido, también ahorró la mayor cantidad de nitrógeno líquido. Utilizó un 35.3% menos de nitrógeno que la unidad convencional. El motor de Scalmaloy, sin embargo, fue un poco agridulce; se enfrió más rápido que el antiguo, pero en realidad utilizó un 11.8% más de nitrógeno.
• La Fórmula Secreta: ¿Por qué el cobre impreso en 3D fue mucho mejor? El equipo diseñó el interior de las piezas impresas en 3D para que tuviera una forma de "giroide" —un patrón complejo, retorcido y similar a una esponja que parece un panal de abejas retorcido—. Esta forma aumentó la superficie donde el nitrógeno líquido podía hervir en un 51%. Imagina intentar secar una toalla mojada. Si solo la extiendes plana, se seca lentamente. Si la arrugas en una bola, se seca más rápido porque más tela queda expuesta al aire. La impresora 3D les permitió crear una esponja de metal "arrugada" que las máquinas antiguas no podrían haber tallado, permitiendo que el nitrógeno trabaje mucho más duro y rápido.

¿Qué pasa con el otro motor?

El motor de Scalmaloy (aluminio) demostró que la impresión 3D no es una solución mágica para todo. Aunque era mucho más ligero —reduciendo el peso de la unidad de enfriamiento en un 53.7%—, no fue tan eficiente como la versión de cobre. Tardó más en enfriarse que la impresión 3D de cobre y utilizó más nitrógeno. Esto sugiere que, si bien la impresión 3D es excelente para hacer cosas más ligeras, el material con el que imprimes es tan importante como la forma.

La Pregunta del Costo

El equipo también analizó el precio. El motor de cobre impreso en 3D costó un 57% más de fabricar que el antiguo, debido en gran medida a que imprimir cobre puro es todavía un proceso nuevo y costoso. El motor de Scalmaloy fue, de hecho, un 15.5% más barato de fabricar. Sin embargo, los autores señalan que, para los telescopios gigantes, el costo de comprar la máquina es solo una parte de la historia. El costo de operarla (comprar nitrógeno líquido y perder tiempo de observación mientras se espera a que se enfríe) es enorme. Dado que el motor de cobre impreso en 3D ahorra tanto tiempo como nitrógeno, los autores sugieren que el costo adicional de construirlo podría recuperarse rápidamente gracias a los ahorros en los costos operativos.

Algunos Contratiempos

El experimento no fue perfecto. El equipo tuvo que construir un sensor digital especial para medir el nivel de nitrógeno líquido porque las temperaturas frías hicieron que los cables de los sensores estándar se encogieran y dieran lecturas erróneas. También notaron que el nitrógeno líquido no fluía perfectamente suavemente; se agitaba un poco en las tuberías, haciendo que las lectiones del nivel subieran y bajaran. Sospechan que añadir algunos "deflectores" internos (como los divisores en una bañera) solucionaría esto en el futuro.

La Conclusión

Este artículo demuestra que la impresión 3D de intercambiadores de calor metálicos es una herramienta viable y poderosa para la astronomía. Prueba que, al imprimir formas complejas similares a esponjas, podemos enfriar instrumentos científicos masivos mucho más rápido y con menos desperdicio que los métodos antiguos. Aunque la versión de cobre impreso en 3D fue la más rápida y eficiente, traía consigo un precio inicial más alto. La versión de aluminio fue más ligera pero menos eficiente. El estudio sugiere que, para el futuro de los telescopios gigantes, el intercambio podría valer la pena: pagar un poco más para construir un enfriador más inteligente podría ahorrar una fortuna a largo plazo, permitiendo a los científicos ver las estrellas antes y utilizando menos combustible.