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Un giro a la energía: las vibraciones inducidas por vórtices
6 abril, 2023 0

Un giro a la energía: las vibraciones inducidas por vórtices

Por: Juan Carlos Cajas y Xiomara Ancona Diaz* Este texto y obras de arte fueron preparados como parte de la Revista Pingüica en su número 6, especial ENES-Mérida. Pingüica es un proyecto para la interpretación artística de temas científicos. El agua y el aire son dos fluidos fundamentales de la naturaleza de los que depende la vida en la Tierra. Sus corrientes generan una gran cantidad de energía renovable, y para aprovecharla, es necesaria la investigación y la comprensión del comportamiento de estos fluidos al moverse. Las vibraciones inducidas por vórtices (VIV) constituyen un fenómeno físico que se estudia en el campo de la mecánica de fluidos -líquidos o gases-, y que se centra en el estudio de las leyes del movimiento y sus procesos de interacción con los cuerpos sólidos. En pocas palabras, la mecánica de Newton, que describe el movimiento de los cuerpos en el espacio, se traslada al estudio de medios que se deforman y permite comprender y predecir cómo éstos se comportan. Las VIV se generan cuando una corriente de aire o agua se encuentra con una estructura; al producirse el encuentro, la corriente tiene que rodear la estructura por ambos lados, sin embargo, este fenómeno no siempre ocurre simultáneamente: es muy frecuente que uno de los lados se retrase respecto al otro. El resultado es un patrón alternado de vórtices que al desprenderse de la estructura ejercen fuerzas a diferentes frecuencias que puede producir vibraciones sobre la estructura. Si bien este es un fenómeno natural común (los tallos y ramas de árboles oscilan ante corrientes persistentes de aire), su fuerza en un entorno oceánico puede desgastar soportes cilíndricos de acero o las cuerdas de amarre que sujetan las plataformas petrolíferas submarinas; o si se tiene una fuerte corriente de viento, se puede llegar a derribar estructuras: uno de los casos más representativos es el puente de Tacoma Narrows, construido en Washington, Estados Unidos, y que en 1940 se derrumbó a causa de la fatiga estructural que los vórtices generados por las grandes corrientes de viento produjeron en él. Sin embargo, desde hace décadas, este fenómeno se estudia para aprovechar esta energía y transformarla en una fuente que puede abrir paso al desarrollo de nuevos dispositivos para generar electricidad libre de emisiones, minimizando el impacto ambiental. De los molinos a los generadores sin aspas. La energía eólica se utiliza desde hace siglos y ha permitido el desarrollo de diferentes sociedades; en la actualidad, es crucial en la transición a las energías renovables. Pese a sus ventajas, la energía eólica enfrenta fuertes críticas que van desde el monopolio de las empresas que instalan los parques eólicos, hasta las alteraciones del paisaje y de la dinámica de las comunidades donde se asientan. Las turbinas cada vez son más altas y las aspas de estos generadores pueden alcanzar longitudes de hasta 250 metros. Cuando hay vientos fuertes, los niveles de ruido de los aerogeneradores pueden llegar a ser del doble de lo recomendado por la Organización Mundial de la Salud (45 decibeles). Otra preocupación se centra en los impactos ambientales como las afectaciones al suelo por los cimientos de hormigón, hasta la pérdida de especies como aves y murciélagos que chocan contra las aspas. Es por ello que desde 2016, un equipo multidisciplinario comenzó a trabajar con la empresa española Vortex-Bladeless para desarrollar generadores de energía haciendo uso de las VIV. El objetivo es desarrollar aerogeneradores sin palas bajo el nombre de Vortex o aerogenerador de vorticidad, tratando de eliminar o reducir muchos de los problemas existentes en los generadores convencionales. Se busca que su diseño sea sencillo, con una sola estructura que facilite su fabricación, transporte, almacenamiento e instalación. Super computo y modelación: ¿Cómo se llevaron a cabo los experimentos para apoyar el desarrollo de VORTEX? Para comprender la dinámica del fenómeno VIV, se ha avanzado tanto experimental como numéricamente, y para ello se desarrollaron  modelos matemáticos que permiten predecir los  patrones del flujo de fluidos en diferentes situaciones.  Se buscaron alternativas como la simulación numérica en donde un programa ejecutado por una serie de computadoras interconectadas, se encargan de analizar los posibles resultados. Para el Vortex es necesario resolver la interacción fluido-estructura, y para ello se utilizó una aproximación multicódigo escalonada en la que un código se encarga de la simulación del flujo de fluidos y otro código se encarga de la simulación de la dinámica de los sólidos. En esta etapa el proyecto de Vortex utilizó el código Alya, desarrollado en el Centro de Supercómputo de Barcelona; la Asociación para la Computación Avanzada en Europa (PRACE) fue de gran ayuda para adaptar el código Alya que se utiliza para realizar simulaciones del problema de Interacción Fluido-Estructura para un dispositivo experimental a escala sin palas, y realizar una comparación entre los resultados numéricos y los experimentales. Al comparar los datos recabados por la simulación numérica y los datos experimentales los resultados fueron muy buenos, con errores relativos máximos inferiores al 10%, y aún se pueden realizar mejoras al código para aumentar la precisión. La empresa Vortex-Bladeless trabaja para llevar el generador de energía eólica sin palas a escala real y ofrecer una herramienta de producción de energía renovable alternativa.  Este tipo de colaboraciones para el desarrollo de nuevos dispositivos de generación de energía es fundamental y completamente pertinente en estos momentos donde la crisis medioambiental está alcanzando puntos irreversibles. En la investigación y la comprensión de la naturaleza hay un faro de esperanza. Bibliografía. Cajas, J. C., Houzeaux, G., Yáñez., D. J., & Mier-Torrecilla, M. (2016). SHAPE Project Vortex Bladeless: Parallel multi-codecoupling for Fluid-Structure Interaction in Wind Energy Generation. Cajas, J. C., Pastrana, D., Rodriguez, I., Lehmkuhl, O., Houzeaux, G., Vazquez, M., & Treviño, C. (2021). Vortex induced vibrations of a pivoted finite height cylinder at low Reynolds number. Physics of Fluids, (33). https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0051689 Juan Carlos Cajas* es doctor en Ciencias Físicas por la UNAM y desarrolla herramientas numéricas para problemas multifísica acoplados en entornos de cómputo de alto rendimiento (HPC), especialmente enfocados a la interacción fluido-estructura en flujos turbulentos, aerodinámica y aplicaciones biomecánicas. carlos.cajas@enesmerida.unam.mx Xiomara Ancona Diaz* es alumna de la Licenciatura en Desarrollo y Gestión Intercultural y prestadora de Servicio Social en el Departamento de Divulgación de la ENES Mérida en el proyecto Cultura…

Telescopios de Cherenkov: tras la energía de los rayos gamma
16 mayo, 2022 0

Telescopios de Cherenkov: tras la energía de los rayos gamma

Por: Dexter Enrique Gómez Ek* La visión es un sentido de gran importancia para el ser humano y muchos otros seres vivos, ya que, gracias a él, podemos interactuar fácilmente con nuestro entorno, pues nos brinda valiosa información de lo que hay en este. El ojo humano, a pesar de ser muy complejo, está limitado a recibir información solo de cierta parte de lo que el mundo es en realidad. Los médicos usan dispositivos de rayos X para examinar los huesos de un paciente, los cuales los ayudan a ver de una manera distinta para obtener información que sus ojos no pueden. Entonces, ¿qué es diferente en lo que ve el ojo humano y lo que capta un dispositivo de rayos X? La respuesta está en el espectro electromagnético. La energía electromagnética se esparce a través de ondas que pueden tener diferentes características. Al hablar de espectro, se hace referencia a la longitud de onda que tiene esta energía electromagnética; comúnmente se le conoce como espectro electromagnético. La ciencia lo clasifica a través de las distintas longitudes de onda que tiene, donde los rayos gamma son los de menor longitud, y las ondas de radio, las de mayor longitud de onda. Y es así que la diferencia entre el ojo humano y un dispositivo médico de rayos X radica en la frecuencia del espectro electromagnético que utilizan para obtener información. Diferentes observaciones con el uso de distintos espectros electromagnéticos pueden ayudarnos a conocer mejor lo que nos rodea: en un brazo, por ejemplo, el ojo humano puede ver el color de piel y distinguir sus características superficiales; con un dispositivo de visión infrarroja se podría observar su temperatura e incluso distinguir su flujo sanguíneo; por otro lado, a través de los rayos X podemos observar los huesos, y es así que en un estudio, mediante distintas frecuencias electromagnéticas, se puede revelar vital información sobre el estado del brazo de un paciente. Ahora pensemos en el cielo nocturno por un momento, a simple vista es posible observar un gran número de estrellas, en una buena noche, incluso varios miles de ellas, pero ¿qué pasaría si usamos un dispositivo para observar el mismo cielo a través de visión infrarroja? Veríamos uno absolutamente diferente. Las enanas rojas son las estrellas más abundantes en el universo y solo producen luz infrarroja, por lo que, al observar el cielo usando ese espectro, veríamos estrellas que jamás hemos visto con los ojos. Desde hace unas décadas, los astrónomos han sacado partido de este conocimiento para estudiar el universo a través de múltiples instrumentos que nos permiten mirar el cielo con distintas frecuencias del espectro electromagnético. Así hemos podido observar fenómenos que serían imposibles de estudiar con el espectro visible. En el grupo del espectro electromagnético de onda corta se encuentran los rayos gamma, un tipo de rayos altamente energéticos que se producen en los eventos más interesantes del universo, donde grandes cantidades de materia son impulsadas a velocidades cercanas a la de la luz, que son enormes explosiones. Los rayos gamma, al ser altamente energéticos, tienen una longitud de onda extremadamente corta, por lo que atraviesan la materia sin problemas de una manera semejante a la de los rayos X. Los rayos gamma y los rayos X tienen muchas características en común: son de alta energía, de longitud de onda muy corta y se producen en eventos violentos del universo. Pese a que los segundos tienen una longitud de onda más larga que la de los primeros, se distinguen entre ellos por la parte del átomo que los emite: los rayos gamma son emitidos por el interior del núcleo de este, mientras que los rayos X, por el exterior del núcleo. Como mencionamos, los rayos gamma se producen en eventos violentos del cosmos, ¿a qué nos referimos con esto? Estos eventos son las grandes explosiones producidas por supernovas (explosiones de estrellas masivas moribundas), púlsares (estrellas de neutrones que emiten radiación de forma periódica) o incluso eventos más exóticos, como agujeros negros; en todos estos se aceleran y producen interacciones de partículas de muy alta energía, generando así rayos gamma. Al saber entonces de dónde provienen los rayos gamma, es fácil comprender el interés de la comunidad científica en su estudio, por lo cual fue necesario idear métodos efectivos para detectarlos. Cabe señalar que, debido a la longitud de onda tan pequeña de los rayos gamma, estos atraviesan casi cualquier material sin problemas, por lo que se requieren otros métodos poco tradicionales para poder observarlos.En 2008, la NASA puso en órbita el primer telescopio espacial Fermi, dedicado al estudio de las fuentes de rayos gamma. El principal instrumento de Fermi es el telescopio de Gran Área -Large Area Telescope-, que detecta rayos gamma a través del efecto electrón-positrón que se produce cuando un rayo gamma atraviesa las grandes placas de silicio que posee el instrumento. Este método es efectivo pero conlleva un gran inconveniente: debido al peso del instrumento principal del telescopio, la NASA se vio obligada reducir drásticamente su tamaño y, en consecuencia, el ángulo de visión no es muy grande, por lo que obtener una imagen completa del cielo requiere tiempo. Comprendiendo la radiación Aquí en la Tierra se utiliza otro método para la detección de rayos gamma, considerablemente más económico que un telescopio espacial, el cual ofrece resultados bastante precisos, que en algunos casos son mejores que los del telescopio espacial Fermi. El proyecto se llama Cherenkov Telescope Array (CTA o Matriz de Telescopios de Cherenkov, en español) y utiliza la radiación de Cherenkov producida por los rayos gamma al penetrar la atmósfera. Para entrar en detalle acerca del funcionamiento de estos telescopios, primero hay que tener claro el significado de la radiación de Cherenkov. La velocidad de la luz es de 299 792 458 m/s en el vacío del espacio y, según el medio que la luz atraviese, esta velocidad puede ser menor; en este caso, en la atmósfera de la Tierra, que contiene partículas que afectan el paso de la luz,…

Desarrollo de un Dispositivo Oceanográfico para Captura de Imágenes Subacuáticas de Forma Automática
17 marzo, 2022 5

Desarrollo de un Dispositivo Oceanográfico para Captura de Imágenes Subacuáticas de Forma Automática

Por: Dr. Francisco Xavier Chiappa Carrara; Dra Vanesa Papiol Nieves; Dra. Elizabeth Cecilia Enríquez Ortiz; Dr. Ismael Mariño Tapia y M.I César Alberto Liera Grijalva.* El CEMIE Océano es un consorcio de investigación apoyado por el gobierno mexicano (a través de fondos mixtos provenientes de la Sener y el Conacyt), cuyo objetivo principal es estudiar varios aspectos de la extracción de energía del océano. Una de las premisas para formular propuestas en este sentido es que la implementación de dispositivos en el mar debe hacerse de manera que los impactos al medioambiente sean los menos posibles y poder recabar información confiable. Entre las líneas de investigación que se cultivan en el CEMIE se encuentran las que estudian la obtención de energía a partir de gradientes salinos y corrientes marinas, en las que participa la ENES Mérida. En este contexto, y para fines de observación y monitoreo, se desarrolla un dispositivo oceanográfico para capturar imágenes subacuáticas de forma automática, el cual constituye un método no invasivo aplicable al estudio de las comunidades bentónicas y pelágicas en distintas condiciones. Para el caso del proyecto, permitirá analizar la interacción de la fauna con los dispositivos de generación de energía y la valoración del estado de las comunidades en ecosistemas marinos. El dispositivo está compuesto por dos contenedores de acrílico, en cada uno se encuentra una cámara de alta definición y la electrónica necesaria para su funcionamiento. El sistema permite la obtención de fotografías con ambas cámaras de forma simultánea en lapsos de tiempo determinados por el usuario. Este dispositivo está basado en un diseño realizado por profesores y estudiantes del IIMAS y, hasta el momento, tiene una autonomía de cuatro horas y se trabaja en incrementar los tiempos de operación. La obtención de imágenes mediante el uso de las dos cámaras con la disposición geométrica permite que el dispositivo proporcione información para el análisis de la composición faunística y algunos rasgos de su conducta. Asimismo, posibilita la medición de los organismos visualizados cuando se cuenta con una referencia de tamaño. El análisis automatizado de las imágenes constituye un siguiente reto para esta iniciativa. Personal académico de los Departamentos de Matemáticas Aplicadas y Computación y Sistemas y Procesos Naturales, ENES-Mérida, UNAM.