Enfriar a golpes

13/10/2016 1 comentario
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Los ordenadores están limitados por la miniaturización de sus circuitos integrados, pero existe otra limitación de la que no se habla tanto: a más potencia de cálculo más calor se genera, y a partir de una temperatura crítica el ordenador deja de funcionar. Lo ideal sería poder instalar "neveritas" cercanas a las CPU para poder enfriarlas. Para eso hay que reinventar la nevera... y en eso anda el científico Pol Lloveras.

Ya va siendo hora de presentar a otros miembros del Grupo de Caracterización de Materiales. Le toca el turno en primer lugar a Pol Lloveras que, básicamente, está investigando sobre materiales que se enfrían a golpes. Me reúno con él en el laboratorio. Coge un guante de látex y estira con fuerza uno de sus dedos (lo mismo se puede hacer con un globo, me aclara). Me pide que me lo acerque para que le diga si ha habido algún cambio en su temperatura. Después lo devuelve a su posición inicial y me pide de nuevo que le diga si su temperatura ha cambiado, y yo sonrío, incrédulo, sorprendido por el resultado...

Pol Lloveras nos muestra el efecto barocalórico con un guante.
Este sencillo experimento se puede repetir en casa: ¡lo recomiendo! Lo mejor es acercárselo a los labios donde somos más sensibles a los cambios de temperatura. Pol Lloveras me explica que la idea detrás de la investigación que realiza es exactamente la misma que la del experimento del globo: mirar cómo cambia la temperatura de los materiales al introducir algún tipo de tensión en los mismos.

Frigoríficos, gases y ordenadores

Las CPUs de los ordenadores se calientan, y mucho. El problema es de tal envergadura que incluso el gigante Google se ha puesto a pensar soluciones, una de ellas, embarcar a sus servidores en barcos que usen el agua del mar para refrescar sus circuitos. En cualquier caso, esta solución no es fácilmente aplicable a los ordenadores de sobremesa, aunque una posible obligación de trabajar en la costa no creo que importara a muchos usuarios. Actualmente este problema se solventa desalojando el calor producido por la CPU utilizando ventiladores, pero este sistema empieza a no ser suficientemente eficaz dada la potencia de cálculo de las computadoras actuales. Una solución sería instalar pequeñas "neveras" en cada ordenador, pero esto traería aún más problemas... y para resolverlos, lo primero que nos hemos de preguntar es, precisamente, cómo funciona una nevera.

Servidores de Google embarcados en una nueva aventura
La clave del funcionamiento de los frigoríficos está en el "ronroneo" continuo que emiten, que suele ser proporcional a la edad de la nevera, e inversamente proporcional a su precio. Los gases que se usan en refrigeradores, al comprimirse a presiones cercanas a la atmosférica se calientan, y al descomprimirse se enfrían. Para que una nevera funcione, el gas se descomprime en su interior, enfriando así los alimentos, y se vuelve a comprimir en el exterior liberando el calor a la cocina. La presión del gas se aumenta gracias a un compresor, que no es más que un motor, responsable del característico ronroneo de las neveras. Evidentemente para que todo funcione, el interior de la nevera ha de estar muy bien aislado de su exterior, en caso contrario el calor desprendido por el compresor echaría a perder el frío conseguido en el interior de la nevera conseguido al descomprimir el gas.

Si queremos utilizar la tecnología neveril en los ordenadores, deberíamos solucionar varios problemas debidos al uso de los gases que se comprimen. En primer lugar la cantidad de gas necesaria para producir una disminución de la temperatura ha de ser relativamente grande. En segundo lugar sería necesario un compresor de mecánica complicada y ruido adormecedor. En tercer lugar una fuga sería catastrófica para el ordenador y los datos que pueda poseer. El culpable del fracaso de nuestra idea es directamente el gas, pero Pol Lloveras está detrás de una nueva solución para resolver estos problemas.

Nevera cool

Una solución sólida

¿Y el globo? ¿Qué pasa con el experimento del globo? Cuando el globo se estira se calienta sensiblemente. Si después esperamos unos segundos el globo recupera la temperatura ambiente. Mi sonrisa incrédula se dibujó cuando el globo se enfrió al destensarlo. Este fácil experimento nos demuestra que causando tensiones en un sólido lo podemos calentar, y relajando las tensiones lo podemos enfriar. En el caso de la investigación de Pol, la tensión se crea en el material aumentando la presión en aproximadamente unas mil atmósferas. Por tanto, en principio, es posible aumentar la temperatura de un compuesto aumentando la presión que le aplicamos, y enfriarlo si relajamos dicha presión. A este fenómeno se le llama efecto "barocalórico". Las buenas noticias son, primero que un sólido no puede sufrir fugas, segundo que es necesaria menos cantidad de material, y tercero que el dispositivo para apretar un sólido es mucho más simple que para comprimir una gas. Las malas noticias son la gran presión necesaria para que se caliente o enfríe un sólido y que el efecto en ellos es mucho menor que en los gases.

Física on the rocks

La mejor forma de enfriar una bebida es añadirle un par de cubitos de hielo, el precio que debemos pagar es que nuestra bebida se aguará cuando se derrita el hielo: son dos caras de una misma moneda que en física llamamos "transición de fase". En este caso, la transición de fase se produce entre la estructura ordenada del agua que forma el hielo y el agua líquida. Para que se produzca, la bebida aporta energía al hielo que hace que las moléculas de agua vibren cada vez más intensamente, hasta que las fuerzas que las unen para formar el sólido no son capaces de aguantar la agitación térmica. Entonces la estructura se rompe, y el sólido se funde. Si pudiéramos aunar el efecto que hace que el globo se enfríe, con el de un cambio de fase sería perfecto... pero estamos hablando de hielo y agua, y la idea es tratar únicamente con sólidos.

El agua sólida puede presentar diferentes formas. Una de ellas (la hexagonal) es responsable de la forma de los copos de nieve
En la escuela nos enseñan que hay tres estados de la materia: gas, líquido y sólido. En el primero las moléculas están totalmente desordenadas, en el líquido están un poco mejor ordenadas y más cercanas, y en un sólido las moléculas forma una estructura totalmente ordenada. El orden en los sólidos se aprecia, por ejemplo, en las formas de los cristales de nieve o de algunos minerales. Lo que no acostumbran a explicar es que hay diversas formas de empaquetar las moléculas en un sólido. Dicho de otra forma: puede existir más de un sólido formado por las mismas moléculas. Para pasar de un tipo de empaquetamiento a otro tenemos que cambiar las condiciones a las que está expuesto el material: su presión y su temperatura. Por ejemplo, en el caso del agua, existen nada menos que dieciocho formas sólidas, es decir dieciocho tipos de hielo diferentes.

Para medir los intercambios de calor entre un material y el entorno a alta presión se utiliza un calorímetro como el que vemos aquí.
La investigación en la que Pol Lloveras está participando tiene como objetivo encontrar materiales que tengan una transición entre sólidos con un empaquetamiento lo más diferente posible entre moléculas. De esta forma es posible conseguir aumentar el efecto del enfriamiento al disminuir la presión aplicada sobre un sólido, ya que las moléculas no sólo se relajarán sino que además cambiarán su estructura, al igual que lo hace el hielo al fundirse... ¡pero manteniendo su forma! El problema, y en eso está trabajando Pol Lloveras, es precisamente encontrar sólidos que sufran ese efecto en un rango de presiones y temperaturas que no sean muy alejadas de las que tenemos habitualmente.

 

Figuras:

Nevera : http://imgur.com/XyPKqsP

Barco de Google: https://www.theguardian.com/technology/2013/oct/30/google-secret-floating-data-centers-california-maine#img-2   Photograph: Stephen Lam /Reuters

Copo de nieve: Por Pen Waggener (Flickr: Unique) [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], undefined