Por qué el viento solar está más caliente de lo esperado

Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro Sol expulsa el plasma en forma de viento solar, este también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como las leyes de la física podrían predecir.

En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación para la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades de este en otros sistemas estelares.

“La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que todavía no se comprenden bien”, dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. “Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el Sol, pero las mediciones de los satélites muestran que a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Por lo tanto, una pregunta fundamental es: ¿Por qué no se enfría?”

El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar se ve influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generados bajo la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más exterior del Sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones en el plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.

Con más electrones cargados negativamente alejándose, el Sol adopta una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción solar. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Los que tienen menos energía no pueden escapar de la carga positiva del Sol y son atraídos de vuelta a él. Al hacerlo, algunos de esos electrones pueden ser desviados de su camino muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.

Una máquina de espejos es un reactor de fusión lineal. Permite a los científicos aplicar la investigación de las máquinas para comprender los fenómenos de viento solar. (Foto: Cary Forest / UW–Madison)

“Hay un fenómeno dinámico fundamental que dice que las partículas cuya velocidad no está bien alineada con las líneas de campo magnético no son capaces de moverse en una región de un campo magnético fuerte”, dice Boldyrev. “Tales electrones que regresan son reflejados de tal manera que se alejan del Sol, pero nuevamente no pueden escapar debido a la fuerza eléctrica atractiva de la estrella. Así que su destino es rebotar de un lado a otro, creando una gran población de los llamados electrones atrapados”.

En un esfuerzo por explicar las observaciones de la temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, los profesores de física de la UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, buscaron en un campo relacionado, pero distinto, de la física del plasma una posible explicación.

En la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores del plasma de la fusión nuclear estaban pensando en formas de confinarlo. Desarrollaron “máquinas de espejos”, o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos apretados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.

A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, llegan al cuello de la botella y las líneas de campo magnético se ven “pellizcadas”. El “pellizco” actúa como un espejo, reflejando las partículas de vuelta a la máquina.

“Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren averiguar cómo la temperatura de los electrones que escapan de la botella disminuye fuera de esta abertura”, dice Boldyrev. “Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol”.

Boldyrev y sus colegas pensaron que podían aplicar la misma teoría de las máquinas de espejos al viento solar, observando las diferencias entre las partículas atrapadas y las que escapan. En los estudios de las máquinas de espejos, los físicos encontraron que los electrones muy calientes que escapaban de la botella eran capaces de distribuir su energía calórica lentamente a los electrones atrapados.

“En el viento solar, los electrones calientes fluyen desde el Sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada”, dice Boldyrev. “Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones del perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura de los electrones disminuye con la distancia tan lentamente”, dice Boldyrev.

La precisión con la que la teoría de las máquinas de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlas para estudiar el viento solar en el laboratorio.

“Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales tratarán de buscar en el viento solar”, dice Boldyrev. “Siempre es divertido cuando empiezas a hacer algo nuevo. No sabes qué sorpresas te vas a llevar”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Ropa que caliente y enfríe sin necesidad de fuente energética externa

Imagine una prenda que, sin ponerle ni quitarle ningún accesorio, se pueda adaptar a condiciones climáticas cambiantes, manteniendo a su portador fresco en el calor del mediodía pero caliente cuando cae la noche o se desencadena una tormenta. Además de usar esta prenda en el exterior, también podría emplearse en interiores, reduciendo drásticamente la necesidad de aire acondicionado o calefacción. Ahora, unos investigadores han creado un tejido fuerte y cómodo que calienta o enfría la piel según convenga y que no requiere fuente energética externa.

Los “tejidos inteligentes” que pueden calentar o enfriar al usuario no son nada nuevo, pero típicamente, el mismo tejido no puede realizar ambas funciones. Estas telas tienen también otros inconvenientes: pueden ser voluminosas, pesadas, frágiles y caras. Muchas necesitan una fuente de energía externa.

El equipo de Guangming Tao, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (Wuhan, China), se propuso desarrollar un tejido más práctico para la regulación térmica personal que pudiera superar todas esas limitaciones.

Los investigadores emplearon seda y chitosán, un material del duro esqueleto exterior de los mariscos, para confeccionar fibras coloreadas equipadas con microestructuras porosas. Llenaron los poros con polietilenglicol (PEG), un polímero que cambia de fase y que absorbe y libera energía térmica. Luego, recubrieron los hilos con polidimetilsiloxano para evitar que el PEG líquido se filtrara hacia fuera. Las fibras resultantes demostraron ser fuertes, flexibles y con capacidad de repeler al agua.

Una fibra microestructurada (izquierda) contiene poros (derecha) que pueden ser rellenados con un material que cambia de fase y que absorbe y libera energía térmica. (Imágenes: ACS Applied Materials & Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c02300)

Para probar las fibras, los investigadores las tejieron en un trozo de tela que pusieron en un guante de poliéster. Cuando una persona que llevaba puesto el guante colocaba la mano dentro de una cámara caliente (a 50 grados centígrados), el PEG sólido absorbía el calor del ambiente, derritiéndose en un líquido y enfriando la piel bajo el nuevo tejido. Luego, cuando la mano enguantada se desplazaba a una cámara fría (a 10 grados centígrados), el PEG se solidificaba, liberando calor y calentando la piel.

El proceso de fabricación de la nueva tela es compatible con los de la industria textil ya existentes y podría adaptarse para su producción en masa. (Fuente: NCYT Amazings)

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Por qué el viento solar está más caliente de lo esperado

Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro Sol expulsa el plasma en forma de viento solar, este también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como las leyes de la física podrían predecir.

En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación para la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades de este en otros sistemas estelares.

“La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que todavía no se comprenden bien”, dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. “Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el Sol, pero las mediciones de los satélites muestran que a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Por lo tanto, una pregunta fundamental es: ¿Por qué no se enfría?”

El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar se ve influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generados bajo la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más exterior del Sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones en el plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.

Con más electrones cargados negativamente alejándose, el Sol adopta una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción solar. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Los que tienen menos energía no pueden escapar de la carga positiva del Sol y son atraídos de vuelta a él. Al hacerlo, algunos de esos electrones pueden ser desviados de su camino muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.

Una máquina de espejos es un reactor de fusión lineal. Permite a los científicos aplicar la investigación de las máquinas para comprender los fenómenos de viento solar. (Foto: Cary Forest / UW–Madison)

“Hay un fenómeno dinámico fundamental que dice que las partículas cuya velocidad no está bien alineada con las líneas de campo magnético no son capaces de moverse en una región de un campo magnético fuerte”, dice Boldyrev. “Tales electrones que regresan son reflejados de tal manera que se alejan del Sol, pero nuevamente no pueden escapar debido a la fuerza eléctrica atractiva de la estrella. Así que su destino es rebotar de un lado a otro, creando una gran población de los llamados electrones atrapados”.

En un esfuerzo por explicar las observaciones de la temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, los profesores de física de la UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, buscaron en un campo relacionado, pero distinto, de la física del plasma una posible explicación.

En la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores del plasma de la fusión nuclear estaban pensando en formas de confinarlo. Desarrollaron “máquinas de espejos”, o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos apretados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.

A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, llegan al cuello de la botella y las líneas de campo magnético se ven “pellizcadas”. El “pellizco” actúa como un espejo, reflejando las partículas de vuelta a la máquina.

“Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren averiguar cómo la temperatura de los electrones que escapan de la botella disminuye fuera de esta abertura”, dice Boldyrev. “Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol”.

Boldyrev y sus colegas pensaron que podían aplicar la misma teoría de las máquinas de espejos al viento solar, observando las diferencias entre las partículas atrapadas y las que escapan. En los estudios de las máquinas de espejos, los físicos encontraron que los electrones muy calientes que escapaban de la botella eran capaces de distribuir su energía calórica lentamente a los electrones atrapados.

“En el viento solar, los electrones calientes fluyen desde el Sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada”, dice Boldyrev. “Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones del perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura de los electrones disminuye con la distancia tan lentamente”, dice Boldyrev.

La precisión con la que la teoría de las máquinas de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlas para estudiar el viento solar en el laboratorio.

“Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales tratarán de buscar en el viento solar”, dice Boldyrev. “Siempre es divertido cuando empiezas a hacer algo nuevo. No sabes qué sorpresas te vas a llevar”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Electricidad y agua caliente: el panel solar todo en uno

La generación eléctrica para autoconsumo y la producción de agua caliente son los dos aspectos principales del aprovechamiento de la energía solar a través de paneles solares. Ambos suponen tecnologías parecidas pero al mismo tiempo diferentes, de modo que, en función de las necesidades del usuario, suelen venderse como productos separados. Pero si lo que buscamos es una máxima independencia energética y reducir nuestra huella ecológica, es probable que estemos interesados en ambos sistemas a un tiempo. El problema es que no siempre dispondremos de suficiente superficie como para instalar paneles solares fotovoltaicos y térmicos a la vez. La solución: un sistema híbrido.

En efecto, la industria de la energía solar ha desarrollado paneles solares híbridos que reúnen en una misma estructura las dos ventajas: con ellos podremos producir electricidad y al mismo tiempo calentar el agua de nuestra calefacción o del circuito de agua sanitaria.

Aunque la solución parece obvia, no es frecuente y estos paneles solares se comercializan aún en bajas cantidades.  Esto podría cambiar en un futuro próximo. Sus ventajas hacen que valga mucho la pena tenerlos en cuenta cuando decidamos instalar un sistema de captación solar en nuestro hogar o industria.

Como su nombre sugiere, un sistema de paneles solares híbridos está diseñado para cumplir las dos funciones a un tiempo. En vez de instalar paneles de ambos tipos por separado, el objetivo aquí es reunir todas sus capacidades en uno solo, ahorrando espacio y costes futuros.

Lo cierto es que los paneles solares fotovoltaicos y los paneles térmicos utilizan una tecnología diferente de aprovechamiento de la luz solar. Los primeros alcanzan su máximo rendimiento recibiendo la parte ultravioleta del espectro solar, mientras que los segundos hacen lo propio con el infrarrojo (calor). Por su parte, un panel solar híbrido ha sido pensado para aprovechar casi toda la luz que le llega.

(Foto: Pixabay)

Los paneles híbridos actuales son mucho más avanzados que aquellos que se introdujeron en el mercado por vez primera, hace 4 o 5 décadas. De hecho, han seguido una evolución que ha ido incorporando sucesivas mejoras tecnológicas. Los primeros paneles solares híbridos apenas eran paneles fotovoltaicos que podían absorber también el calor y calentar una serie de conductos. Pero eran sistemas poco perfeccionados debido al imperfecto aislamiento del que estaban dotados, lo que impedía que trabajaran a gran temperatura. Se usaban pues en lugares donde no se requiriera calentar en exceso el agua.

Posteriormente los paneles solares híbridos fueron equipados con un sistema posterior ideado para evitar que se pierda tanto calor generado, y así puedan alcanzarse superiores temperaturas. A pesar de todo, la generación eléctrica se ve dificultada por las altas temperaturas, así que se logra un compromiso para que el panel pueda generar electricidad de forma aceptable.

En la actualidad los paneles híbridos incorporan, además de lo anterior, una cubierta delantera que también impide la pérdida de calor por delante del colector. Con el asilamiento completo garantizado, se consigue un máximo rendimiento a la hora de calentar el circuito de agua, útil sobre todo en zonas donde haga más frío.

Esta última generación de placas híbridas, sin embargo, será algo menos generosa en el apartado de producción eléctrica, así que el objetivo será elegir este diseño o el anterior, en función del lugar donde queramos instalar nuestros paneles: en un lugar frío o en un lugar caluroso, respectivamente.

Las dos tecnologías, fotovoltaica y térmica, pueden además trabajar en mutuo beneficio. Hacer pasar agua por el panel para calentarla puede al mismo tiempo refrigerar las células solares, que así podrán generar más electricidad.

Se calcula que utilizar un sistema híbrido permite ahorrar alrededor de un 40% de superficie ocupada por paneles solares. Es decir, reunir la misma funcionalidad, fotovoltaica y térmica, en el mismo sistema, ahorra mucho espacio, en comparación a si tuviéramos los dos sistemas por separado. Y demás conseguimos generar más electricidad, gracias a la refrigeración de las células, y calentar mayor cantidad de agua debido a las temperaturas alcanzadas.

Los paneles solares híbridos pueden instalarse en zonas residenciales, pero en general serán especialmente útiles en zonas de elevado uso de agua caliente. Si las necesidades van a ser elevadas en ambos ámbitos, eléctrico y térmico, ¿por qué no decidirse por un sistema híbrido? Nuestro bolsillo y el medio ambiente nos lo agradecerán. (Fuente: NCYT Amazings)

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