ACTA CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
REVISTA DE LA ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE CIENTÍFICOS Nº 1 AÑO 1999
POR QUÉ INVESTIGAR EN MICROGRAVEDAD
Muchos fenómenos físicos que se producen en la tierra están afectados por la gravedad y su comportamiento en ausencia de la misma es muy diferente. La simple comparación de un mismo proceso con y sin efectos gravitatorios permite avanzar mucho con respecto a su naturaleza.
La combustión es un ejemplo típico de estudio en condiciones de microgravedad (µg). Cuando se quema un combustible en aire bajo la acción de la gravedad, el aire alrededor de la llama se calienta, disminuyendo su densidad con respecto al aire frío lejos de ella. Esta diferencia de densidades bajo la acción del campo gravitatorio genera un movimiento, denominado convección natural, en el que el aire caliente (menos pesado) asciende, siendo reemplazado por aire más frío que vuelve a calentarse. La convección natural afecta a la propia combustión en sí, ya que continuamente está renovando el oxígeno en las proximidades de la llama, facilitando la combustión. En ausencia de gravedad la convección natural no existe, de modo que el aporte de combustible al mantenimiento de la llama por este medio desaparece y si la llama se mantiene, debe ser por otros mecanismos físicos que en presencia de la gravedad podrían ser, incluso, irrelevantes. Si el conocimiento profundo de los procesos de combustión (con y sin efectos de la gravedad) permitiese mejorar el rendimiento en tan sólo un 1%, el ahorro energético sería inmenso.
No sólo el estudio de la combustión en condiciones de µg es importante. Hay una gran variedad de procesos físicos relacionados con las ciencias de los materiales, propulsión, física de los fluidos, física del plasma, etc.; cuyo conocimiento en condiciones de µg es importante.
El conocimiento de unos procesos en condiciones de µg puede llevar a la investigación de otros que deben conocerse previamente. Tal es el caso, por ejemplo, de la convección de Marangoni, originada por gradientes de tensión superficial, y que aparece (entre otros procesos) en la producción, en condiciones de µg, de materiales de composición homogénea. La convección de Marangoni en condiciones 1g no tiene un papel tan relevante como en µg debido a que los efectos de la gravedad atenúan a los de tensión superficial en cuanto la longitud característica es lo suficientemente grande.
Las cámaras de combustión para experimentos en µg desarrolladas por SENER
Puede decirse que SENER se introdujo en el campo de la microgravedad en los años sesenta con un proyecto que no era precisamente de microgravedad, pero estaba relacionado con ella puesto que todavía hoy día se utiliza como "herramienta" para obtener condiciones de µg. Este proyecto fue el de la torre de lanzamiento de cohetes de sondeo de Kiruna (Suecia), realizado por C. Sánchez Tarifa y J. Rivacoba.
Aparte de la contribución de SENER en el área aeroespacial mediante el desarrollo de mecanismos y estructuras espaciales, también ha desarrollado cargas útiles de microgravedad para cohetes de sondeo.
Los experimentos en condiciones de µg en Europa son financiados a través de la ESA, basados en un proyecto de investigación presentado por un grupo, generalmente de una universidad, que define el tipo de experimento a realizar. Una vez aprobado el proyecto de investigación, la ESA selecciona una empresa para materializar el experimento, que posteriormente será puesto en condiciones de microgravedad mediante un cohete de sondeo o una estación orbital. Los experimentos de µg en torres de caída libre y vuelos parabólicos los realizan directamente los grupos de investigación.
Vista de la cámara de combustión volada en el MiniTexus 6 el 6/12/98.
En 1993 SENER fue seleccionada para diseñar y construir una cámara de combustión para volar en el cohete alemán MiniTexus 3 con un periodo de µg de tres minutos, y que fue lanzado desde Kiruna el 2 de mayo de 1995. El investigador principal de este proyecto fue el Prof. C. Sánchez Tarifa de la E.T.S. de Ing. Aeronáuticos. El objetivo del experimento fue determinar la velocidad de propagación de llamas en combustible sólido en forma de varillas cilíndricas, cuando sobre las varillas incide una corriente uniforme de convección forzada, de magnitud mucho más baja que la correspondiente a la convección natural. Fue necesario diseñar un sistema de control del flujo de la cámara que permitiese variar su velocidad desde cero (convección nula) a 5, 10 y 20 cm/s. Las disciplinas que han intervenido en el proyecto han sido: diseño mecánico, electrónica, óptica y fluidodinámica. Durante el lanzamiento y el periodo de µg los sistemas de la cámara funcionaron correctamente y se descubrió la existencia de llamas en el rango no visible, lo que dio lugar a una campaña de vuelos parabólicos realizada por el Prof. Sánchez Tarifa, en los cuales, mediante una cámara de infrarrojos se confirmó la existencia de estas llamas. En esta campaña de vuelos parabólicos SENER colaboró con personal experto en el manejo de la cámara de infrarrojos.
Debido a la experiencia adquirida en el diseño de la cámara de combustión anterior, SENER fue seleccionada para el diseño de una nueva cámara para el cohete MiniTexus 6 en 1997. El investigador principal de este nuevo experimento fue el Prof. Joulen de la Universidad de Poitiers. El experimento consistió en el estudio de la combustión en la capa límite de una placa de combustible sólido. Las velocidades del flujo convectivo fueron más bajas que en la primera de las cámaras, lo que complicó el sistema de regulación de flujo. Además llevó incorporado un sistema óptico mucho más complejo: cámara de vídeo, cámara de infrarrojos y láser. El diseño fluido dinámico incluyó un sistema de inyección de partículas para la visualización del flujo durante el experimento, iluminando las partículas con el láser y grabando las imágenes con el vídeo. Esta técnica de visualización del flujo se denomina PIV (Particule Image Velocimeter). Fue la primera vez que un sistema de este tipo se utilizó para medir el flujo de gases, con combustión y en condiciones de microgravedad. El lanzamiento se realizó con éxito el 6 de diciembre de 1998 y todos los sistemas de la cámara funcionaron correctamente.
En la actualidad se está desarrollando una nueva cámara de combustión. Esta vez para el cohete Texus 38, en el que el tiempo de µg es de seis minutos (el doble que el del MiniTexus). El investigador principal vuelve a ser el Prof. Sánchez Tarifa y el objetivo fundamental del experimento consiste en determinar los límites de extinción de la llama en las varillas de combustible sólido. Para ello es necesario diseñar un sistema de mezclado que permita variar en vuelo la concentración de oxígeno. Además, las velocidades de convección son más bajas que las de los experimentos anteriores, de modo que el sistema de control de flujo será de nuevo diseño. El lanzamiento está previsto para noviembre de 1999.
En el diseño fluido dinámico de las tres cámaras de combustión citadas anteriormente, SENER ha contado con la colaboración del Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la E.T.S. de Ing. Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid.
Las perspectivas para el futuro parecen ser prometedoras. Se está desarrollando una caja funcional para el crecimiento de cristales de proteínas, de aplicación en la industria farmacéutica. El investigador principal es el Prof. J. M. García Ruiz del C.S.I.C. en la Universidad de Granada. Esta caja será embarcada en la próxima misión del transbordador espacial en diciembre de 1999 y servirá como demostración de una nueva técnica para obtener cristales de proteínas.
A partir del año 2000 es muy posible la colaboración de SENER en la fabricación de una caja modular para el crecimiento de proteínas. Esta caja será mucho más compleja que la funcional, que se está desarrollando actualmente, ya que dispondrá de sistemas para mantener las muestras a temperatura constante, sistemas ópticos de diagnóstico y sistemas para el llenado automático de las sales. También es posible, aunque a más largo plazo, el diseño de una cámara de combustión, similar a las diseñadas para los cohetes Texus y MiniTexus, pero con otras características a definir, y que se instalará en la Estación Internacional (ISS). El investigador principal de este último proyecto es el Prof. Sánchez Tarifa. En la actualidad estos dos proyectos se han presentado a la ESA como proyectos de investigación por los respectivos investigadores principales. En el mes de julio de 1999 se conocerá si son aprobados o no (las probabilidades de éxito son muy altas) y a partir de esta fecha se entablarán negociaciones con las industrias que deben materializarlos
MANUEL SENDAGORTA Y EL SENER DE HOY
Para contar la trayectoria empresarial de SENER - la primera empresa de ingeniería y consultoría española, fundada en 1956 - habría que empezar por enunciar una serie de nombres; los de aquellos pioneros que irrumpieron con un concepto completamente nuevo de cómo hacer ingeniería. La lista de ingenieros y científicos que han construido el SENER del presente algunos de ellos autoridades académicas, reconocidas nacional e internacionalmente- sería larga y, casi con total seguridad, injusta porque alquien quedaría en la trastienda de los puntos suspensivos.
En quien hay que detenerse, si de verdad se quiere comprender el espíritu y el estilo de esta empresa, es en Manuel Sendagorta, que dirigió SENER desde 1959. Manu era ingeniero aeronáutico y había iniciado su vida profesional en el INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeronáutica), donde trabajó en los departamentos de Propulsión y Aeronáutica. Fue también profesor de Mecánica de Fluidos en la Escuela Superior de Ingenieros Aeronáuticos, y formó parte del equipo de Theodore Von Karman - Millán en los estudios sobre la combustión que concluyeron con un nuevo modelo físico-químico de la llama.
Dedicado a la investigación y labor docente hasta entonces, hubiera desarrollado su trayectoria profesional de muy distinta manera si no lo hubiera convencido su hermano Enrique, actual presidente de la compañía, para que tomara el timón de la todavía pequeña pero ya innovadora empresa que él había fundado tres años antes.
Lo cierto es que el SENER de hoy tiene mucho que ver con la capacidad de trabajo de Manu, con su talento y talla profesional, con su manera de ser y con la forma de delegar y de confiar en el criterio de sus colaboradores. De él se ha dicho que "hizo de la ingeniería el arte de lo practicable".
SENER, en principio concebida como una ingeniería naval, supuso una apuesta por la innovación en todos sus aspectos. Se comenzaron a desarrollar nuevas tecnologías, se abrieron nuevos mercados y se demostró que en España había muy buenos ingenieros, capaces de afrontar las más arriesgadas empresas.
Ya entonces se establecieron también unos valores corporativos que son la clave de su éxito. SENER tiene como finalidad proporcionar a la sociedad soluciones con un elevado contenido tecnológico y/o científico. Para lograrlo, la organización interna se caracteriza por su flexibilidad, la confianza y la libertad, lo que permite el desarrollo de iniciativas individuales, la formación de buenos equipos multidisciplinares y un apoyo sistemático a la investigación y al desarrollo.
Gracias a lo anterior, y a que se ha procurado tener siempre a "los mejores", ha dado como resultado que SENER tenga, en muchos campos, la categoría de pioneros y una notable presencia en la industria más variada. Además de una antigua y considerable presencia internacional. En Energía y Procesos, en Sistemas de Transporte Urbano, en Comunicaciones y en los mas avanzados Sistemas de Ingeniería Naval.
En este campo por ejemplo, SENER es líder mundial del sistema CAD/CAM/CAE para el diseño de buques denominado FORAN (Formas Analíticas), desarrollado en 1964, cuando la informática aún daba sus primeros balbuceos en España. El FORAN fue un hallazgo de Manu Sendagorta tras miles de horas de cálculos manuales, horas nocturnas trabajando en el ordenador de la Escuela de Ingenieros Industriales el único que existía en Bilbao por aquel entonces- para estudiar el fenómeno de la formación de las olas debido al desplazamiento de un sólido el buque- en la superficie libre de un líquido el mar-. Así llegó a una formulación matemática que hacía posible la identificación numérica de la superficie del casco de un buque. Hoy, el sistema FORAN se ha exportado a 22 países del mundo, incluido Estados Unidos. Recientemente se ha lanzado una versión V-40 para Windows NT, capaz de utilizarse en un PC portátil.
La ingeniería Espacial también es una parte importante de la actividad de SENER, que suministra habitualmente a la ESA (Agencia Europea del Espacio) mecanismos, estructuras, navegación aérea, aerotermodinámica, inteligencia de imágenes, guiado y control, electrónica e investigación y desarrollo en microgravedad.
Toda esta actividad en temas aeroespaciales es el resultado de una larga y perseverante apuesta que dura ya casi 40 años. El primer contrato de SENER en este campo fue nada menos que un llave en mano de la torre de apunte y lanzamiento de cohetes de sondeo instalada en Kiruna, en el Círculo Polar Artico, al norte de Suecia. Era la década de los sesenta y el contrato se logró en concurso internacional, compitiendo con las más grandes empresas del momento. El concurso lo convocó la Organización Europea de Investigación Espacial (ESRO), hoy Agencia Espacial Europea (ESA). SENER perdió dinero en aquella aventura, pero el éxito de aquel proyecto supuso el primer peldaño para estar presente en la industria espacial europea.
El presente y el futuro de SENER es fruto de su pasado, del que se siente muy orgullosa. Y no tanto por los proyectos realizados o por el prestigio nacional e internacional conseguido, sino sobre todo porque se mantiene firme en su apuesta por tener a los mejores, por arriesgar en innovar constantemente y por el espíritu deportivo con que afronta cada trabajo.
Velocidad de propagación de una llama, Uf en varillas de PMMA en función de la velocidad de convección U× para diferentes valores del espesor de la pared de la varilla, la concentración de oxígeno y el nivel de gravedad. Los resultados correspondientes al nivel más bajo de gravedad se obtuvieron en el MiniTexus 3. (De C.Sánchez Tarifa).
Visualización del flujo durante el vuelo del Mini-Texus 6 el 6/12/98. El color verde son las partículas inyectadas en el flujo y el color azul es la llama.