El refrigerador de Einstein

Einstein y Szilard

Cuando pensamos en Albert Einstein, lo primero que se nos viene a la mente es la relatividad en sus dos sabores, especial y general, y los que han visto un poco más de física o son  simplemente un poco curiosos,  movimiento browniano, emisión estimulada (lo que llevo al desarrollo del láser) y el efecto fotoeléctrico, que le valió el premio nobel en física en 1921. Un tema menos conocido, incluso por los físicos, es su trabajo con Leó Szilárd para desarrollar un refrigerador por absorción que utiliza la energía en forma eficiente, sin partes móviles. ¿Como es esto? Ok, a continuación la historia del refrigerador de Einstein.

Szilard nació en Budapes, Hungría en 1898. En 1916, se matriculó como estudiante de ingeniería en la Universidad Técnica de Budapest, pero su educación fue interrumpida al año siguiente, cuando se incorporó al ejército Austro-Húngaro. Después de la guerra estudio en el Instituto de Tecnología de Berlín, donde conoció a Albert Einstein y Max Planck. Szilard obtuvo si doctorado en física en 1922, él y Einstein se convirtieron en amigos cercanos.

Su disertación fue en termodinámica, y en 1929 publicó un artículo, “On the Lessening of Entropy in a Thermodynamic System by Interference of an Intelligent Being” (En la disminución de la entropía en un sistema termodinámico por interferencia de un ser inteligente). Este trabajo contiene una descripción del Motor de Zsilard, una máquina térmica hipotética que viola la segunda ley de la termodinámica, convirtiendo energía calórica de su medio en trabajo.

Gas en un recipiente

Consideremos dos pistones con el mismo número de partículas de gas en el interior y con la misma energía total. Sin embargo, el contenedor de arriba está en un estado de baja entropía con todo el gas en un lado del pistón; el recipiente inferior se encuentra en un estado de alta entropía con el gas igualmente extendido. Se puede ver la diferencia de la configuración de arriba, del cual podemos extraer trabajo útil, simplemente permitiendo que el pistón se expanda. En el proceso, la energía total del gas baja (se enfría), pero en el pistón inferior, nada va a pasar. La energía en este caso no la podemos aprovechar porque está en un estado de alta entropía.

En 1929, Leó Szilárd utilizó una configuración similar para establecer un resultado sorprendente: la conexión entre la energía y la información que se posee de un sistema. El resultado que publicó Szilard en pocas palabras es que, la entropía es una medida de la información que no se tiene acerca de un sistema (en el pistón de arriba, sabemos más sobre el gas, ya que esta en un estado de baja entropía, o sea tenemos mejor idea de donde está localizado el gas).

De cualquier forma el punto es que el trabajo de Szilárd resultó útil cuando llegó el momento de diseñar un nuevo tipo de refrigerador. Szilárd patentó varios trabajos como mejoras en la lámpara de vapor de mercurio, el microscopio electrónico, así como el acelerador lineal y el ciclotrón, los cuales ayudaron a revolucionar la investigación científica. Pensó seriamente en la construcción de bombas atómicas, con la posibilidad de una reacción nuclear en cadena. Esta idea surgió según Wiki el 12 de septiembre de 1933 mientras esperaba para cruzar la calle en la Avenida de Southampton en Bloomsbury. Según se dice, Szilárd tuvo esta idea como consecuencia de su enfado por la negativa de Ernest Rutherford a hablar sobre la energía nuclear. En 1955, él y Enrico Fermi recibieron una patente conjunta por el reactor nuclear, de la oficina de patentes de EE.UU.

La colaboración de Einstein y Szilárd en el refrigerador se produjo en 1926, cuando los periódicos informaron de la muerte trágica de toda una familia en Berlín, cuando las emanaciones de gases tóxicos se dispersaron por toda la casa mientras dormían, como resultado de la fuga de gas de un refrigerador roto. Esta tragedia se repite en forma alarmante, mientras más gente sustituye las cajas tradicionales de hielo por modelos de refrigeradores mecánicos, que utilizaban gases tóxicos como el cloruro de metilo, el amoníaco y dióxido de azufre como refrigerantes. Einstein se vio profundamente afectado por las tragedias, y le dijo a Szilárd que debía haber un mejor diseño de los compresores mecánicos y cambiar los gases tóxicos que se utilizaban. Juntos se dedicaron a encontrar esta mejora.

Refrigerador

Y por si se preguntan, acá va un breve panorama de como funciona el refrigerador que utilizamos hoy día. Una de las cosas interesantes acerca de la termodinámica es que si podemos crear una diferencia lo suficientemente grande (por ejemplo, una gran diferencia de temperatura entre dos compartimentos) se tiene una fuente de energía útil para explotar en caso de necesidad. Los refrigeradores trabajan con un concepto simple conocido como  Ciclo de Carnot. El gas ( generalmente amoníaco o freón en estos días, no los gases tóxicos más comunes durante la época de Einstein) se lo pone a presión en una cámara, esto produce que el gas se caliente. Este calor se disipa por las bobinas en la parte posterior del aparato, y el gas se condensa en un líquido. El gas todavía a alta presión, lo suficiente para que el líquido fluya a través de un agujero a una segunda cámara de baja presión.

Ese cambio brusco de la presión hace que el amoníaco líquido hierva y se vaporizan en un gas de nuevo, teniendo que bajar su temperatura, de esta manera se mantienen los alimentos perecederos refrigerados. El gas frío es succionado de vuelta por la primera cámara, y todo el ciclo se repite ad infinitum,  o por lo menos mientras el aparato está enchufado. El refrigerador no es un sistema cerrado en verdad: se lo somete a un flujo constante de energía, que le permite funcionar de forma continua.

Para abordar las preocupaciones de gases tóxicos, Einstein y Szilard centraron su atención en los refrigeradores por absorción, en los que una fuente de calor (en ese tiempo, una llama de gas natural) se utiliza para conducir el proceso de absorción y liberación de líquido refrigerante de una solución química, en lugar de una compresor mecánico. Una versión anterior de esta tecnología se había introducido en 1922 por los inventores Suiza, y Szilard encontró una manera de mejorar su diseño, basándose en su experiencia en la termodinámica. Su fuente de calor viene de una combinación de gases y líquido a través de tres circuitos interconectados.

Como sabe cualquier persona que viva a mayor altura que el nivel del mar (como es mi caso, que vivo en Mendoza a unos 900 m.s.n.m) el agua hierve a temperaturas inferiores a los 100 ºC, ya que la presión es menor (las presiones son más altas a nivel del mar). El refrigerador de Einstein-Szilard explota este efecto, utilizando solo amoníaco, butano y agua, sin necesidad de utilizar electricidad para hacer funcionar, el aparato sin partes móviles, eliminado así la posible ruptura del refrigerador y la pérdida de gas.

El amoníaco se introduce en el evaporador, luego se introduce el refrigerante (butano) que se evapora debido a que la presión parcial del refrigerante se reduce, y la mezcla de gases después pasa a través del condensador donde entra en el contacto con el líquido de la absorción (el agua). Puesto que el amoníaco es soluble en agua y el butano es insoluble, el amoníaco es absorbido por el agua, dejando libre al butano. El calor es así primer dado del butano al amoníaco cuando los gases se mezclan, luego del amoníaco al agua, tomando calor del butano en el proceso, así el amoníaco se disuelve en el agua. El butano entonces asume la presión dentro del condensador, que es bastante para hacer la licuefacción. Ya que la gravedad específica (densidad relativa) del butano es menos que el del amoníaco en la solución de agua. El butano líquido entonces pasa de nuevo al evaporador para repetir el ciclo. La solución del amoníaco fluye a otro recipiente donde una fuente de calor produce la separación del agua y el amoníaco, de esta forma el gas (amoníaco) vuelve al evaporador.

El refrigerador, utilizaría la bomba electromagnética de Einstein-Szilard, que no tiene partes móviles, sino que se basa en la  generación de un campo electromagnético (CE) a través de la aplicación de una corriente eléctrica a una bobina. El CE hace mover un pistón que comprime el refrigerante, el resto del proceso es el mismo que en los refrigerantes comunes.

A pesar de la presentación de más de 45 solicitudes de patentes en seis países diferentes, ninguno de los diseños alternativos de Einstein y Szilard de los frigoríficos se convirtió en un producto de consumo. Y la bomba de Einstein-Szilard no ha demostrado su utilidad para el enfriamiento de reactores. Los prototipos no eran eficientes, y la Gran Depresión golpeó a muchos fabricantes potenciales. Pero fue la introducción de un nuevo refrigerante no tóxico, freón, en 1930 que le cerro las puertas al refrigerador de Einstein-Szilard. La economía apoyó la tecnología mecánica del compresor de freón, y eso es lo que la mayoría de personas todavía utilizan hoy en día.

El interés este diseños ha revivido en los últimos años, impulsado por las preocupaciones ambientales sobre el cambio climático y el impacto de freón y otros clorofluorocarburos en la capa de ozono, así como la necesidad de encontrar fuentes alternativas de energía. En 2008, un equipo de la Universidad de Oxford, dirigida por Malcolm McCulloch (un ingeniero eléctrico que es un apasionado de las tecnologías verdes) construyó un prototipo como parte de un proyecto para desarrollar aplicaciones más robustas. Se modificó el diseño ligeramente, sustituyendo los tipos de gases utilizados, con la esperanza de cuadruplicar la eficacia del diseño original de Einstein y Szilard. McCulloch también está jugando con la idea de usar el calor de energía solar para alimentar la bomba para que el aparato sea más eficiente en el uso de la energía.

Mientras tanto, otros científicos de la Universidad de Cambridge han explorado la  refrigeración a través de campos magnéticos, sin necesidad de utilizar energía extra, este nuevo diseño modificado del refrigerador de Einstein-Szilard. “El nuestro funciona de manera similar (a los frigoríficos freón), pero en lugar de utilizar gas utiliza un campo magnético y una aleación de metal especial”, dijo el director del proyecto Neil Wilson. “Cuando el campo magnético está al lado de la aleación, es como comprimir el gas, y cuando el campo magnético desaparece, que es como la expansión del gas. Este efecto se puede ver en las bandas de goma. Cuando se estira la banda se calienta y cuando se relaja la banda se enfría”.

Por otro lado un estudiante graduado de Georgia Tech, Andy Delano (valen las gastadas), también construyó un prototipo de uno de los diseños de Einstein y Szilard como parte de su maestría y tesis doctorales. “Literalmente, se calienta un extremo y el otro se enfría”, explicó Delano. Esta versión utiliza calentadores de resistencia eléctrica como fuente de calor, sobre todo por comodidad, pero un quemador de gas pequeñas o fuentes de energía solar también podría ser utilizado como fuente de calor.

Casi todos lo intentos por construir un refrigerador eficiente en el uso de energía de hoy en día, son todos prototipos del diseño de Einstein y Szilard, solo que estos hombres se adelantaron un poco más de 70 años en el diseño. Como siempre Einstein, sin desmerecer el trabajo de Szilard, es un capo. Fuente este paper.

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12 respuestas a El refrigerador de Einstein

  1. Guillote dijo:

    Naaaaa, MAINPOST!!!!!! muy bueno, no tení la más puta idea de la heladera de Einstein, y mirá que me he leído muchas biografías del chabón.
    Abrazo y muy bueno che

    • ye olde fox dijo:

      Yo me entere hace poco tiempo, como sabes, y al igual que vos, soy seguidor de éste señor y leyendo cosas lo encontré y como no iba a ir post..jaja

  2. chimango dijo:

    jeje, esto parece una secta (o una séctima? ya perdí la cuenta)

  3. Gabinni dijo:

    Q buen post!! No sabía nada de eso. Me hizo acordar a un post de hace bastante que hablaba sobre mejorar la eficiencia de los paneles solares con ayuda de la cuántica, si no me equivoco (tengo la memoria en otra últimamente, jaja)

  4. Anónimo dijo:

    hola tengo 12 años de edad estoy en el, colegio militarizado nuevo mexico soy el cadete ramon valle estoy haciendo un resumen y me encanto este post muy bueno lioke like like like lo ame oh my god ohohoj

  5. Anónimo dijo:

    HOLA SOY TERESO Y ME GUSTA LOS CORRIDONES ahi nomas

  6. Anónimo dijo:

    Muy Bueno

  7. Anónimo dijo:

    gx me ayudo mucho para mi tarea perrosssssssssss

  8. Anónimo dijo:

    Carajoooo, ¡¡si que fue inteligentudo el man…!!..

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