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Alicats en estado salvaje: medidores de flujo másico para globo a gran altitud, parte 2

Ayer, comenzamos nuestra nueva serie «Alicats in the Wild» con un vistazo a FAST, Flying Apple Space Technologies, que utiliza nuestro medidor de flujo másico portátil para totalizar el flujo de gas en los globos de gran altitud que llenan. Hoy, continuamos con su búsqueda de flotabilidad neutral.

High-altitude balloon images

Un panorama de imágenes tomadas por el globo de gran altitud FAST-7 en el espacio cercano

Medición del flujo de masa en la búsqueda de flotabilidad neutra

Dirigido por la Dra. Amanda Maxham de la Universidad de Nevada, Las Vegas, el equipo FAST tiene un objetivo ambicioso: enviar un globo meteorológico a través del Océano Atlántico. Esta hazaña requiere que el globo logre y mantenga una altitud precisa el tiempo suficiente para conducir los vientos estratosféricos desde el sur de Nevada hasta África o Europa, una distancia de aproximadamente 6000 millas. Un desafío importante es que todos los globos de látex finalmente explotan debido a la degradación del material por la radiación ultravioleta, un efecto que se intensifica en altitudes elevadas donde el aire es delgado. Para minimizar la exposición del globo a los rayos UV, el equipo está buscando un cruce de invierno, quizás con un lanzamiento de solsticio de invierno. FAST también debe apuntar con precisión a una altitud cuyos vientos transportarán el globo rápidamente a través del Atlántico antes de que estalle. Esto requiere un conocimiento preciso de la cantidad de gas que hay dentro del globo.

High-altitude balloon during burst

Globo de gran altitud durante el estallido, visto desde la cámara hacia arriba

El lanzamiento y vuelo de FAST-12 el 4 de agosto de 2013 fue un hito para el equipo FAST. Este vuelo alcanzó una altitud máxima de 123,463 pies, colocando al equipo por primera vez en la placa de clasificación de la altitud del globo aerostático de gran altitud aficionado. Lo que es más importante, el globo logró una flotabilidad neutra y mantuvo una altitud constante durante aproximadamente 90 minutos hasta que estalló el globo. La flotabilidad neutra es crítica para las aspiraciones del equipo de cruzar el Atlántico porque el globo necesita flotar alrededor de una altitud específica para poder navegar con los vientos que se mueven rápidamente y que soplan a esa altitud. En una escala mayor, este objetivo también es un requisito para el Proyecto Loon de Google, que está diseñado para mantener la distribución uniforme del globo ordenando a los globos que circulen con diferentes vientos direccionales a altitudes específicas.

Filling the high-altitude balloon using the mass flow meter

Llenar el globo de gran altitud FAST-8 usando el medidor de flujo másico

La clave para lograr una flotabilidad neutra a una altitud específica es incorporar el gas suficiente para proporcionar la sustentación requerida para ascender desde la altitud de lanzamiento, pero no tanto como para que el globo sobrepase la altitud objetivo. El globo deja de subir y se vuelve neutralmente flotante (si todo se hace correctamente) cuando la masa de la atmósfera desplazada por el globo y la carga útil es igual a la masa del gas dentro del globo más la masa del globo y la carga útil. La variable principal que hace posible la flotabilidad neutra es la elasticidad del balón y el aumento resultante de la presión dentro del balón en comparación con la presión atmosférica. Este aumento de presión es más significativo a grandes altitudes, lo que permite que el globo se vuelva flotante de forma neutral. El truco es darle al globo la cantidad de gas «Goldilocks», como lo llama el Dr. Maxham: solo lo suficiente para llegar a la altitud deseada, pero no demasiado para que el globo no pueda contenerlo cuando llegue allí.

Al totalizar la masa de gas dentro de cada globo utilizando el medidor de flujo másico, el equipo puede generar datos repetibles durante sus vuelos de prueba.

Eric Lujan calculates mass and lift

El miembro del equipo FAST, Eric Lujan, de 15 años, usa su aplicación Android para hacer cálculos masivos y de elevación en el campo.

Los estudiantes del Dr. Maxham usan una fórmula compleja para calcular la masa de gas requerida para cada vuelo. La fórmula incluye cálculos que utilizan la ley de los gases ideales, la ley de los ganchos, el modelo atmosférico estándar de 1976, el módulo de elasticidad del balón y muchos otros factores para determinar la cantidad correcta de gas que se utilizará. Como si este cálculo no fuera lo suficientemente difícil, la presión del gas contra el globo cambia con la presión y la temperatura, al igual que el módulo de elasticidad del látex. Además, la temperatura ambiente fuera del globo cambia de forma extraña a medida que el globo asciende por la atmósfera: dentro de la troposfera, la temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud, pero una vez que el globo atraviesa la estratosfera, la temperatura aumenta con la altitud. Un estudiante de FAST, Eric Lujan, de 15 años, incluso ha escrito una aplicación de Android para realizar los cálculos masivos necesarios en el sitio de lanzamiento.

Al totalizar la masa de gas dentro de cada globo utilizando el medidor de flujo másico, el equipo puede generar datos repetibles durante sus vuelos de prueba. Esto amplía el alcance educativo del programa, porque no solo los estudiantes pueden usar el globo para llevar a cabo experimentos científicos, sino que también pueden hacer ciencia en el globo mismo. Y lograr que las personas se involucren en la ciencia es de lo que se trata.

El próximo lanzamiento de FAST es el 5 de octubre de 2013, si el clima lo permite. Puede seguir su vuelo el día del lanzamiento, así que asegúrese de suscribirse al blog de FAST para obtener actualizaciones y calendarios de inicio.

 

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