SIMULACION DE ATMOSFERAS PLANETARIAS EN MICRO GRAVEDAD Jorge Luis Lässig - Claudia Palese Universidad Nacional del Comahue Buenos Aires 1400 - (8300) Neuquén, Argentina

RESUMEN En Agosto de 1997 se realizaron los primeros experimentos Argentinos en micro gravedad, por medio de vuelos parabólicos en una aeronave KC-135 de la NASA, en dependencias del Centro Espacial Johnson, en Houston, EE.UU. Los vuelos fueron programados en dos días consecutivos, e incluyeron en cada jornada 40 parábolas. En esa oportunidad se ensayó un módulo para experimentos de Fluidos Geofísicos, el cual pretende simular en un vuelo espacial una celda convectiva de Hadley. El estudio se concentró en generar un movimiento en un líquido debido a un pulso de calor. Estos experimentos forman parte de un proyecto denominado Paquete Argentino de Experimentos (P.A.D.E.), constituidos por otros 6 experimentos más, y que volarán a bordo en la bodega del Transbordador Espacial de la NASA durante 1998.

ATMOSPHERIC SCIENCE IN MICRO GRAVITY ABSTRACT In last August 1997, ocurred the first Argentine experiment in micro gravity, through a parabolic flights of a KC-135 aircraft of NASA, in Ellington Field, Houston, USA. The scheduled flight for mission was two days. In each flight to carry out 40 parabolic. During this days of parabolic flights with the KC-135, was tested a module of Geophisical fluids, which simulate the oceans and atmosphere flows over spherical bodies, studying convective movements under temperature gradients. This experiments use a flight opportunity provided by the American Get Array Special (GAS) programme, next year in flight Space Shuttle. The project name is Argentine Package of Experiments.

1. INTRODUCCION La ausencia de gravedad pone de manifiesto una serie de fenómenos que en la Tierra están encubiertos por la gravedad, uno de ellos es la Tensión Superficial. La tecnología se está beneficiando de esta nueva disciplina científica, siendo varias las empresas que han realizado no

solo experimentos, sino incluso elaboración de nuevos productos en el medio ambiente que ofrece el espacio. Si bien esta disciplina nace con los primeros vuelos espaciales tripulados, recién adquiere su plenitud en la década pasada con los vuelos de

la flota de Space Shuttle de los EE.UU. y el laboratorio MIR que actualmente administra Rusia, por lo tanto el medio de experimentación es reciente, apenas tiene poco más de una década, por lo que hay un nuevo campo de oportunidades, en especial para los jóvenes científicos. La ciencia atmosférica también puede beneficiarse de la micro gravedad: la posibilidad de realizar experimentos de equilibrio de fases en ausencia de gravedad, está dando a los científicos nuevas pautas de esa parte de la termodinámica (ref.10), experimentos sobre dinámica de gotas indudablemente servirán para traer nuevos conocimientos en física de nubes, y tal ves lo de mayor interés para los Meteorólogos: el poder crear modelos físicos de atmósferas tridimensionales que permitan simular en ellas continentes, cadenas montañosas, flujos de corrientes oceánicas, suelos con diferentes temperaturas, etc., en otras palabras poder establecer en el espacio un verdadero laboratorio meteorológico para estudiar la atmósfera terrestre, y las de otros planetas.

2. SIMULANDO TERRESTRE

LA

ATMOSFERA

Poder simular el movimiento tridimensional de la atmósfera o de los mares en cuerpos esféricos es un anhelo de Meteorólogos y Oceanógrafos, pero esto en la Tierra es imposible: la gravedad evita esta aspiración. Las experiencias de laboratorio de Fultz con anillos rotantes para observar el régimen de Rossby como en latitudes medias (ref.9), solo se realizan en forma bidimensional. En el espacio ingrávido tal vez esto se pueda hacer de manera tridimensional, mas real. Por un lado la ausencia la cual tiene dirección radial. Como ella depende de la temperatura, entonces si dentro del líquido inducimos cambios de temperatura, esta parte del fluido variará su atracción generando movimientos "electro convectivos",

de gravedad en el espacio permite crear esferas líquidas gigantes que pueden simular fluidos geofísicos, a estas esferas se les puede dar un movimiento angular, haciéndolas girar como lo hacen las estrellas o los planetas, logrando así el efecto de coriolis en forma tridimensional. Para lograrlo se deben establecer simulaciones que nos permitan por analogías asociar estos movimientos a los existentes en mares y atmósferas. Lo primero que se debe establecer es el reemplazo de la gravedad por medio de otra fuerza que atraiga a las partículas de los fluidos en la esfera gigantes. Hay en la actualidad algunos intentos a tal fin, J.E.Hart y J.Toomre de la Universidad de Colorado han desarrollado un proceso de simular gravedad dentro de una doble esfera con líquido por el método de Electroconvección (ref. 3). El mismo consiste en llenar el espacio entre dos esferas concéntricas con un líquido dieléctrico, la constante dieléctrica varía con la temperatura del líquido: e = e0 . ( 1 - A . T )

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donde e0 es la constante dieléctrica a temperatura ambiente, A es el coeficiente de expansión térmica del líquido, y T la temperatura del líquido. Si entre las dos esferas se aplica un campo eléctrico variable a una determinada frecuencia, (lo que se estaría haciendo es un capacitor esférico), ver figura 1, por lo que las partículas del líquido dieléctrico se distribuirán según este campo eléctrico E, e impulsadas por una fuerza eléctrica dada por: F = -0.5 . e0 . A . T . [E. E(r)]

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por lo que se puede establecer una analogía con la flotabilidad terrestre: F= g.A.T.Z

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donde g es la gravedad, y Z la altura.

convectivo en el fluido en ausencia de gravedad, a partir de la existencia de un gradiente de temperatura en la superficie de una esfera, impulsado por la dilatación que sufre el fluido en contacto con la superficie a medida que esta se calienta.La convección posible sin gravedad en una capa esférica con pared rígida fue planteada por Myshkis y otros en 1987 (Ref. 2).

3. EL PROYECTO P.A.D.E.

Figura 1: esquema de como simular gravedad en un fluido electrolito entre dos esferas, si se aplica un gradiente de temperatura se puede generar Electroconvección.

Este método se desarrolló en el Marshall Space Center de la NASA, y voló por primera vez en la misión Spacelab 3 a bordo del Space Shuttle Columbia en Mayo de 1985. En Jul/97 se repitieron estos experimentos en el Spacehab abordo nuevamente del Space Shuttle Columbia. Otro método de Electroconvección se puede obtener con campos eléctricos a tensión continua, donde la fuerza de flotación son debidas a las cargas eléctricas existentes en el fluido, y la forzante son las fuerzas de Coulomb, las referencia 4, 5, 6 y 7 tratan mas ampliamente el tema. En noviembre de 1994 y en Mayo de 1997, alumnos de la Universidad de Bremen durante campañas de vuelos parabólicos para estudiantes llevada a cabo por la Agencia Espacial Europea (ESA), realizaron una serie de experimentos sobre fluidos geofísicos tratando de generar un flujo de Couette esférico (ref.1). Lo que nos proponemos realizar en los experimentos PADE, es algo complementario, pues lo que se intentará es crear un movimiento autor pudo ensayar el equipo que volará al

Durante 1998 volará al espacio en la bodega de uno de los Space Shuttle de la NASA una carga útil en donde se realizarán 7 experimentos Argentinos, dentro del programa de la NASA Get Away Special (GAS) consistente en un contenedor cilíndrico de 0,5 metros cúbicos, luego de su estadía en el espacio, retornarán a tierra para que los investigadores estudien los resultados y las consecuencias del medio ambiente espacial. El Proyecto se denomina P.A.D.E. (PAQUETE ARGENTINO DE EXPERIMENTOS), y está registrado en NASA como GAS-761. La selección de los experimentos se realizó entre personal de AATE y de la NASA del Goddard Space Flight Center de Maryland, USA. Entre los experimentos propuestos por el grupo de la Universidad Nacional del Comahue, hay uno que tratará de generar una celda convectiva en ausencia de gravedad que represente a una celda de Hadley.

4.- ENSAYO DEL EQUIPO En Agosto de 1997, en los que denominamos los PRIMEROS EXPERIMENTOS ARGENTINOS EN MICRO GRAVEDAD, el espacio, realizando un experimento abordo del

avión de entrenamiento de astronautas KC-135 de la NASA y verificó estos movimientos en el fluido debido a la dilatación del mismo en las cercanías de la superficie sólida, cuando por ella se traslada un pulso de calor (ref.8). En las fotografías 1 y 2, se puede observar el desplazamiento de unas pequeñas esferas, producidas por la dilatación del líquido cuando se entregó a la superficie inferior de una rodaja de esfera, un pulso de calor.

1

2

Foto 1: posición inferior de esferas oscuras dentro del líquido antes del pulso de calor, en micro gravedad, y Foto 2: movimiento de esferas oscuras 15 segundos después de haberse aplicado un pulso de calor en el hemisferio sur, en un ambiente de micro gravedad.

4. MODULO ARGENTINO EXPERIMENTOS GEOFISICOS

(fig.2). La visualización de la misma se hará por medio de partículas de aluminio en suspensión en el líquido. El experimento se filmará con una micro cámara de vídeo y se lo fotografiará por medio de una cámara digital como equipo redundante por si falla el primero. De estas grabaciones se deducirán los campos de velocidades y el patrón de movimiento en el fluido. Existirán sensores de temperatura ubicados en la superficie de la esfera interna, y dentro del líquido, cuyos registros serán almacenados en una memoria CPROM. El plan de experimentos a desarrollarse durante el vuelo espacial del Space Shuttle en el marco del proyecto PADE, consistirá en establecer una celda convectiva simulada de Hadley. Campos de Aplicación: de prosperar estas simulaciones, se las podrá aplicar a modelos físicos tanto de atmósferas, como de océanos.

DE

El denominado Módulo Argentino de Experimentos Geofísicos para el espacio (MAEGef) consiste básicamente de una rodaja de esfera transparente, la semiesfera "sur" es un material metálico conductor del calor, y en su otra semiesfera de un material no conductor del calor (teflón). El espacio entre ambas esferas se llena con agua. El hemisferio "sur" está conectado externamente a una fuente de calor, que en un determinado momento comenzará a emitir. Dicho flujo de calor manifestado en un aumento de temperatura comenzará a transmitirse hacia el polo sur de la esfera interna y desde allí hasta el ecuador. El calor generado en su superficie calentará al líquido adyacente y lo impulsará por dilatación, estableciendo una celda convectiva

Fig.2: esquema del experimento 4 del PADE para generar una celda de Hadley simulada en ingravidez.

AGRADECIMIENTO Los gastos que demandaron la construcción y realización de estos experimentos fueron subvencionados en su totalidad por la Universidad Nacional del Comahue.

El autor quieren destacar la importante participación en la construcción del equipo del Ing. Gustavo Monte y del Estudiante Gustavo López. También agradece al Ing. Pablo De León quien operó los equipos durante el vuelo en el KC-135 de NASA . REFERENCIAS

9.- Holton, J.; An Introduction to Dynamic Meteorology; Ed. Academic Press, New York, 1979Ñ Cap.10, pp 274-280. 10.- Homsy, G. and Donnelly, R.; Fluid Mechanics and Fluid Physics in a Low-Gravity Environment; Chapter 8A, Progress in Astronautics and aeronautics Vol 108, AIAA, 1986.

1.- Pletser, V.; Preparing for future: European students conducting microgavity investigations during parabolic flights; Journal Microgravity News, Vol.8, N#1, Apr/95, ESA. 2.- Myshkis, et al; Low-Gravity Fluid Mechanics (ed. Springer-Verlag, 1987). 3.- Hart, J.E.; Electrodynamic Buoyancy Flows as Models of Planetary and Stellar Circulations, Chapter 8B, Progress in Astronautics and aeronautics Vol 108, AIAA, 1986. 4.Roberts, P: Electrohydrodynamic Convection; Q.J.Mech. and Appl. Math., Vol.22, 1969, pp 211-220.

Foto.3: los tres experimentos ensayados a bordo del KC135 de la NASA en Houston, arriba a la derecha el módulo de experimentos geofísicos, abajo a la derecha un generador de gotas, y a la izquierda un experimento sobre capilaridad.

5.- Hopfinger, E. and Gross, J.; Charge Transport by Selfgenerated Turbulence in Insulating Liquids Submitted to Unipolar Injection; Phys.Fluids, Vol.14, pp.1671-1682, 1971. 6.- Bradley,R.; Overstable Electroconvective Inestabilities; Q.J.Appl.Mech.Math.; Vol.13, 1978, pp.381-390. 7.- Atten,P. and LaCroix, J.; Nonlinear Hydrodynamic Stability of liquids Subject to Unipolar Injection; J.de Mecanique, Vol. 18,1979, pp. 469-510. 8.- Lassig,J.; Informe de los Primeros experimentos Argentinos en Micro gravedad, Fac.Ing. U.N.Comahue, Neuquén, Sep/1997.

Foto 4: el Ing. Pablo de León operando los experimentos de la Univ Nac del Comahue en pleno vuelo parabólico en condiciones de ingravidez.