Magnetoelectrolisis

Hoy como colaborador invitado en el blog tenemos a Jaime Redondo Yuste. Jaime acaba de empezar el doble grado en física y matemáticas en la Universidad Complutense de Madrid pero ya conseguidido varios logros en la física: Medalla de oro en la Olimpiada nacional de Física 2016, medalla de bronce en la olimpiada iberoamericana 2016 y ganador del premio EUROFusion JET prize en la European Union Contest for Young Scientists 2016. Y sobre eso os va a hablar precisamente, sobre el proyecto que le llevo a ganar ese premio. que disfrutéis del post!!!!

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Cuando intentas afrontar un problema físico a un nivel profundo de comprensión, es normal que tengas que considerar una gran cantidad de efectos. Por ejemplo, si queremos estudiar cómo se moverá el vagón en una montaña rusa profundamente, tendremos que tener en cuenta la dilatación de las vías y de las ruedas, la temperatura … Una cantidad de efectos que nos impiden dar un resultado exacto, y hacen que sea necesario despreciar muchos de ellos. Y no hay normalmente accidentes en las montañas rusas, así que esas depreciaciones se hacen con sentido.

En mi caso, al estudiar la magnetoelectrólisis, hay mucho de eso. La historia de cómo descubrí ese campo es también interesante. Quería conseguir un sistema para acelerar reacciones químicas. Uno de los factores que puede contribuir es la movilidad, es decir, el clásico “agita el matraz para que reaccione todo”. Sin embargo, a veces hay reacciones que son muy rápidas, y si queremos que se den correctamente no nos vale añadir un reactivo encima de otro. Por eso se me ocurrió hacer un CERN en pequeñito, utilizando campos eléctricos y magnéticos para aumentar la movilidad de las sustancias químicas.

Comencé a investigar sobre cómo funcionaban los campos electromagnéticos en disoluciones, a aprender dinámica de fluidos, etc. Diseñé un pequeño experimento, preparé todo, y cuando llegó el momento de darle al temido ON, nada funcionó. Tras meditarlo un poco entendí por qué no había funcionado. El efecto que buscaba era despreciable, como que los pasajeros levanten las manos o no en una montaña rusa. Fallar a la primera es algo muy normal a la hora de hacer ciencia.

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Imagen del CERN, Suiza
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Representación gráfica de cómo me sentí cuando nada funcionó

Sin embargo, quería seguir investigando y había aprendido muchas cosas. En concreto, había aprendido sobre un campo de la física llamado Magnetohidrodinámica (MHD). En general, estudia el comportamiento de fluidos conductores en presencia de campos eléctricos y magnéticos. Es decir, abarca los plasmas, los metales líquidos y las disoluciones acuosas. Los plasmas han sido ampliamente estudiados, por varios motivos: El Sol está repleto de plasma, y tiene un fuerte campo magnético, por lo que es necesario estudiarlo desde el punto de vista de la MHD para entender las Erupciones Solares o el por qué la corteza solar está más caliente que el núcleo (que es debido a las conocidas como Ondas de Alfvèn). Además, a la hora de intentar la fusión nuclear en laboratorios como el JET, en Culham (Inglaterra), se utilizan plasmas confinados en reactores nucleares, o metales líquidos para enfriar la superficie.

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Sin embargo, el tercero de los campos no ha sido nunca muy explotado. Además es el que más se aleja, pues en plasmas y metales líquidos se pueden hacer muchas simplificaciones por la alta conductividad de los fluidos, simplificaciones que son imposibles en una disolución.

Por ello, decidí investigar algo más en ese tema. En concreto, quería entender qué pasaba si añado un campo magnético a un proceso de electrolisis (que básicamente se fundamenta en provocar reacciones químicas por una corriente eléctrica). De ahí nace el término de magnetoelectrolisis.

Los estudios que se han hecho en este campo han sido desde el punto de vista electroquímico, por su interés industrial (que más tarde comentaré), pero su interés físico es muy importante: es un sistema de MHD, por lo tanto, van a ocurrir algunos efectos semejantes a los de los plasmas. Por eso, uno de los primeros intereses es para estudiar alguno de esos efectos sin necesidad de reactores complejos como el JET, con experimentos mucho más sencillos.

Sin embargo, en la bibliografía sobre magnetoelectrolisis, no se había desarrollado ningún modelo analítico. Esto se debe a lo que he comentado antes, habría que considerar muchos efectos, por ello ha resultado más cómodo aproximar ciertos efectos y utilizar modelos numéricos. Yo he intentado construir un modelo analítico, realizando algunas asunciones que pueden ser extensibles a todos los sistemas magnetoelectrolíticos. Para ello, hay que combinar las ecuaciones del electromagnetismo (ecuaciones de Maxwell) con la fuerza electromagnética (fuerza de Lorentz) y las de la dinámica de fluidos (ecuaciones de Navier-Stokes), aparte de consideraciones de MHD. A todo esto hay que añadirle que hay que tener en cuenta que tenemos iones disueltos en agua junto con otras sustancias químicas. Esto implica a un campo de la química-física, llamado teoría de electrolitos, y por ejemplo hay que considerar que los iones existen formando complejos con moléculas de agua (cuya masa es un gran problema conocer) y otras especies químicas, o que la conductividad es una función de la concentración.

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Dramatización de la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes y Maxwell para estudiar MHD.

Esto muestra bastante bien de qué va la ciencia. Tenemos un efecto que ocurre en la naturaleza, y para entenderlo tenemos que combinar teorías distintas que además implican a distintas ramas de la ciencia (Física y Química).

Tras pelearme durante un tiempo con las ecuaciones, conseguí por fin un modelo teórico, que me permitiera predecir qué es lo que iba a ocurrir. El siguiente paso natural es ponerlo a prueba, ver si la Naturaleza se comporta de acuerdo con tu modelo. Para ello, hay que utilizar un experimento. A la hora de diseñar un experimento, quería conseguir otras dos cosas: que fuera didáctico y lo pudiera utilizar para enseñar efectos que se estudian en Bachillerato como la Fuerza de Lorentz o la electrolisis a mis compañeros; y que necesitara materiales sencillos como los que se encuentran en un laboratorio de instituto.

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Y ahí está el experimento. El campo magnético está creado a partir de una bobina y se aplica solo en el cátodo, lo que me servía también para comprobar que los efectos de la magnetoelectrolisis se observaban también con campos magnéticos pequeños (del orden de miliTeslas). El funcionamiento es sencillo, en la placa Petri hay una disolución de sulfato de sodio con unas gotas de un indicador del pH (fenolftaleína). Al aplicar una corriente eléctrica a partir de las pinzas de cocodrilo de la foto, se produce la electrolisis del agua. En este proceso químico se liberan iones hidroxilo, que son los que dan un carácter básico al medio, y provocan que el indicador del pH se vea de color rosa en la zona donde hay iones hidroxilo. De esta forma puedo visualizar la trayectoria de estos iones.

El principal efecto que se ve es que en la parte de arriba (el cátodo), la mancha rosa se desvía hacia el lado derecho. Esta es la principal acción del campo magnético, desviar la trayectoria de los iones como uno esperaría de la Fuerza de Lorentz. En la parte de abajo, el ánodo, los iones se mueven igual en todas direcciones obedeciendo a la difusión.

De cara a obtener datos, grabé los experimentos con el móvil y los analicé con un programa de software gratuito llamado Tracker. De esta forma pude medir entre otras cosas el ángulo medio de desviación o la evolución del área desviada con respecto al tiempo.

Estos resultados los analicé con respecto a las predicciones de mi modelo teórico, obteniendo unos resultados bastante aproximados a lo que esperaba. Por poner un ejemplo, el ángulo teórico esperado era de unos 45º, contando con un error amplio por una aproximación necesaria a la hora de resolver las ecuaciones (esa es otra de las aficiones de los físicos, aproximar). El resultado empírico que obtuve era de algo más de 40º, bastante cerca del valor esperado. Por lo tanto, puedo concluir con orgullo que el modelo teórico funciona bastante bien.

Sin embargo, todo este proyecto quedaría muy frío si no nos ponemos a analizar para qué sirve. Como ya he comentado antes, se pueden observar ciertos efectos de la física de plasmas con experimentos como este, en concreto, se puede observar el llamado “Confinamiento en las líneas de Campo magnético”, que causa las erupciones solares. Este efecto se resume en que las partículas cargadas se mueven en una trayectoria helicoidal alrededor de las líneas de campo magnético. Esta trayectoria se caracteriza por un radio de giro (ionic gyroradius), que se puede relacionar con el campo magnético, la carga, y con la masa del ion disuelto. Espera. Tenemos un dato experimental que podemos medir (el ionic gyroradius) y la masa del ion disuelto, es decir, del complejo que forma con el agua, que es uno de los grandes problemas en teoría de electrolitos. ¡Tachán! Simplemente utilizando un campo magnético variable podremos hallar la masa de estos complejos, y así identificar cuáles son.

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La linea negra representa el campo magnético. La espiral azul se corresponde con el ”ionic gyroradius”, mientras que los círculos verdes representan el movimiento alrededor de las líneas de campo, el efecto clásico de la Fuerza de Lorentz y que en el experimento se ve a simple vista por la desviación de los iones

Aparte de esta nueva aplicación, la magnetoelectrolisis se está usando en la industria, para fabricar piezas para la industria aeroespacial y manufactura de alta precisión. A la hora de conseguir superficies extremadamente lisa, se aplica un proceso electrolítico. Si a eso le añadimos un campo magnético, los resultados mejoran notablemente.

Y a partir de ahí, todavía queda mucho por hacer. Ese es el resumen de la ciencia, empiezas intentando hacer un acelerador, y acabas con otro proyecto distinto. Empiezas por la teoría, y acabas haciendo experimentos y buscando aplicaciones útiles. Y al final, todavía te quedan mil preguntas sin responder para volver a empezar otro nuevo proyecto.

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4 Comentarios Agrega el tuyo

  1. ¡Ha nacido un grandísimo físico!

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  2. Una entrada genial: muy ilustrativa. ¡Enhorabuena, y disfruta del doble grado!

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