Manteniéndose Fresco en la Estación Espacial

En un nuevo y extraño mundo donde el aire caliente no asciende y el calor no se propaga, los sistemas de control térmico de la Estación Espacial Internacional mantienen un delicado equilibrio entre el frío infinito del espacio y el calor abrasador del Sol.

Marzo 21, 2001 -- El universo es un lugar de extremos opuestos: luz, oscuridad... húmedo, seco... aire, vacío... hambriento, lleno. En este medio la vida humana parece florecer. Nos sentimos más cómodos en aquellos lugares que no son ni muy calientes ni muy fríos, ni muy oscuros ni muy deslumbrantes -- en otras palabras, lugares que son "confortables."

La mayor parte de nuestro Planeta encaja en esta descripción. Siempre y cuando usted se mantenga alejado del Polo Sur y no caiga dentro de un volcán, la tierra es un mundo muy cómodo. Pero ahora que los humanos se aventuran al espacio -- no como visitantes sino como residentes -- el encontrar este término medio es un desafío más evidente.

Considere, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional (EEI).

Sin controles térmicos, la temperatura del lado hacia el sol de la Estación Espacial en órbita, ascendería a 121 C (250F), mientras el lado opuesto descendería a -157 C (-250F). Entre estos extremos, podría encontrarse un lugar con una temperatura aceptable en el medio de la Estación, ¡pero encontrar el sitio justo no sería una tarea fácil!

Afortunadamente para la tripulación y los equipos de la Estación, la EEI está diseñada y construida teniendo en cuenta el equilibrio ambiental -- y está equipada con un sistema de control térmico que mantiene a los aeronautas frescos y cómodos mientras viven en su casa en órbita espacial.

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La primera prioridad del diseño para control térmico es el aislamiento -- con el fin de mantener el calor para calefacción y mantenerlo afuera para enfriamiento.

Aquí en la Tierra, el calor ambiental se transfiere al aire principalmente por conducción (colisiones entre las moléculas de aire) y convección (la circulación o movimiento masivo del aire).

"Es por esta razón que usted puede aislar su casa, simplemente utilizando el aire atrapado entre las capas de aislamiento," dice Andrew Hong, un ingeniero y especialista en control térmico del Centro Espacial Johnson de NASA. "El aire es un mal conductor de calor, y las fibras usadas en aislamiento de casas, que mantienen el aire inmóbil, reducen la convección."

"En el espacio no hay aire para conducción y convección," agregó. El espacio es un ambiente donde domina la radiación. Los objetos se calientan por absorción de la luz solar y se enfrían por emisión de energía infrarroja, una forma de radiación que es invisible al ojo humano.

Como resultado, el aislamiento para la Estación Espacial Internacional no se asemeja a la alfombra esponjosa de fibras rosadas que se encuentra en las casas terrestres. El material de aislamiento en la Estación es, por el contrario, una capa de alta reflexión llamada Aislamiento Multilaminar ó Multi-Layer Insulation ( MLI) en inglés, y fabricada de Mylar y dacrón.

Arriba, izquierda: Material aislante comúnmente usado en la Tierra. Arriba, derecha: Aislamiento Multilaminar -- ó MLI - para la Estación Espacial Internacional. La malla plateada de alta reflexión es Mylar aluminado. El material de color cobre es kapton, una capa más gruesa que protege las frágiles hojas del Mylar, las cuales son generalmente de un espesor de sólo 0.3 mil ó 3/10000 de una pulgada. Foto cortesía de Andrew Hong, JSC.

"El Mylar es aluminizado con el fin de que la radiación térmica solar no penetre" explica Hong. Aquí en la Tierra, se usan cobijas que contienen Mylar aluminado para envolver a personas que han estado expuestas al frío o sufrido algún trauma. ¡Estas cobijas son especialmente populares entre los cazadores y los campistas!

"Capas de tela de dacrón mantienen separadas a las hojas de Mylar, lo cual evita que el calor se propague por conducción entre las capas," continuó. "Esto asegura que el método predominante de transferencia de calor a través de la cobija sea por radiación."

Con excepción de sus ventanas, la mayor parte de la EEI está cubierta por el material MLI, que bloquea la radiación.

"Las ventanas representan pérdida de calor," dice Hong, "pero los astronautas las necesitan por razones ergonómicas y también para sus investigaciones. Es algo que tenemos que tener en cuenta en el diseño."

El aislamiento MLI hace un doble trabajo: mantiene afuera la radiación solar y evita que el frio absoluto del espacio penetre la cubierta metálica más externa de la Estación.

El aislamiento hace tan buen trabajo que la EEI presenta otro desafío térmico para los ingenieros -- controlar las temperaturas internas que siempre tienden a elevarse dentro de este super aislado Laboratorio, lleno de toda clase de instrumentos generadores de calor.

Derecha: Las cobijas térmicas de MLI son tan sólo uno de los muchos materiales de la era espacial que protegen a la EEI del difícil ambiente espacial.[ más información]

Imagínese que "su casa estubiera muy bien aislada y usted cerrara todas las puertas y ventanas y apagara el aire acondicionado," dice Gene Ungar, un especialista en análisis de fluidos térmicos del Centro Espacial Johnson de NASA. "Casi la totalidad de los vatios de energía que van a travéz de los alambres eléctricos terminarían convirtiéndose en calor."

Esto es exactamente lo que ocurre en la Estación Espacial. La energía de los paneles solares fluye hacia la EEI para operar instrumentos, sistemas electrónicos ... todos los innumerables sistemas de la Estación. Todos producen calor y algo tiene que hacerse para deshacerse del exceso.

La respuesta básica es instalar intercambiadores de calor. Para remover el calor de la nave, los diseñadores crearon el Sistema Activo de Control Térmico ó Active Thermal Control System, (ATCS) en inglés.

El calor de desecho se remueve de dos maneras, a través de placas de enfriamiento y con sistemas de intercambio de calor, ambos enfriados por un circuito cerrado de agua en circulación. Los intercambiadores de calor con agua o con aire, enfrian y extraen la humedad del ambiente interno de la nave. Grandes generadores de calor son acoplados a las placas de enfriamiento, fabricadas especialmente con este propósito. El agua fría -- impulsada por una propela del tamaño de una moneda y que trabaja a 17,000-rpm -- circula a través de estos aparatos de transferencia de calor para enfriar el equipo.

"El exceso de calor es removido por este eficiente sistema líquido de intercambio de calor," dice Ungar. "Después enviamos esta energía a radiadores que disipan el calor hacia el espacio."

Arriba: Esta fotografía de la Estación Espacial Internacional, tomada por la tripulación del STS-98, muestra los extendidos radiadores de aluminio de la estación. Haga un clic para una vista más cercana.

Pero si se permitiera circular el agua en tuberías por fuera de la estación espacial, ésta rápidamente se congelaría. Para que este sistema, a base de fluidos trabaje, el calor sobrante es transferido una segunda vez por otro circuito cerrado que contiene amoniaco en lugar de agua. El amoniaco se congela a -77 grados C (-107 F), a la presión atmosférica normal. El amoniaco calentado circula a travéz grandes de radiadores localizados en la parte exterior de la Estación Espacial, despidiendo el calor en forma de radiación infrarroja y enfriandose a medida que circula.

Los radiadores extendidos de la Estación están fabricados con paneles de aluminio de honeycomb (en forma de panal de abejas.) Existen 14 paneles, cada uno de 1.8 por 3 metros, (6 por 10 pies) para un total de 156 metros cuadrados (1680 pies cuadrados) de área de transferencia de calor con tuberias de amoniaco. Compare este majestuoso radiador con los serpentines de un metro cuadrado que se utilizan en los aires acondicionados de una casa típica en la Tierra y usted empezará a apreciar la magnitud y el desafío que conlleva ejecutar operaciones "de rutina" en el espacio.

Finalmente, los ingenieros de control térmico deben estudiar el flujo de aire dentro de la Estación Espacial. El movimiento del aire es uno de los factores principales para obtener un equilibrio interno entre frío y calor.

El Sistema Activo de Control Térmico, ATCS, trabaja junto con el Sistema de Control del Ambiente y Soporte de Vida, Environmental Control and Life Support System (ECLSS) en inglés, que controla la calidad y flujo del aire en la EEI. En condiciones orbitales de caída libre -- equivalente a gravedad cero -- el aire caliente y frío no asciende y desciende como ocurre en la Tierra. Una circulación correcta de aire previene la formación de "rincones" fríos que pudieran producir condensación, descargas eléctricas, seria corrosión y hasta problemas biológicos tales como el crecimiento de microbios. En la Estación Espacial Rusa Mir, la aparición de hongos corrosivos se convirtió en un problema continuo y los planificadores de la EEI deseaban evitar una nueva infestación.

Arriba: ¿Flotando en el espacio, descalzo y en mangas de cortas? ¡Debe ser muy cómodo allá arriba!

Es en verdad un mundo nuevo y extraño en la EEI. El aire caliente no asciende... el calor no se propaga... radiadores demasiado fríos para circular agua en estado líquido... ¡es más que suficiente para hacerle salir canas a un ingeniero térmico! Sin embargo, gracias al eficiente sistema de control térmico integrado, la tripulación no tiene que preocuparse -- ¡mantenerse fresco en la EEI no es ningún problema!

Nota del Editor: Uno de nuestros lectores pregunta, "Si la temperatura en el lado de sombra de la Estación Espacial baja hasta -157 C y si el punto de congelación del amoniaco es de solo -77 C, ¿porqué no se congela el amoniaco en los radiadores de la Estación?" La razón es que el amoniaco que transporta el calor no puede perder calor suficientemente rápido para llegar al punto de congelación antes de que el líquido circule nuevamente dentro de los confines más cálidos de la Estación Espacial. Si (como experimento imaginario) apagáramos las bombas y orientáramos la Estación de tal manera que el radiador estuviera en la sombra de, por ejemplo, un panel solar, muy seguramente el amoniaco, después de un periodo de tiempo, se congelaría.

Estación Espacial Internacional -- Página de internet de NASA

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Expectativas por la EEI. -- Artículo de Science@NASA: : En un reciente foro de periodistas, los científicos indican que están impacientes por utilizar la Estación Espacial Internacional como un innovativo laboratorio de investigación en órbita.

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