[SPOILERS]
"Yo soy Iron Man" y acto seguido murió salvando así a todo el universo.
No es el mejor ni más bonito comienzo a una entrada en este blog, Iron Man murió en combate pero considerando su traje...¿debió haber muerto antes?
En esta entrada repasaremos algunas funciones y partes de su traje para comprobar su viabilidad.
-REACTOR ARC: La principal pieza que tiene el traje de Iron Man, lo que le salvó la vida en la primera película y lo que fue un argumento recurrente después.
En la película Stark crea ese reactor miniaturizándolo de uno más grande que tenía en sus industrias y lo usa como electroimán para mantener alejados unos trozos de metralla de su corazón y así poder mantenerse con vida.
Bien, pues este pequeño reactor tiene una apariencia que nos recuerda a un electroimán.
Pero, ¿qué es un electroimán?
Un electroimán no es más que un material, normalmente hierro, donde se ha enrollado un conductor tal que así:
La corriente que circula por el conductor genera, por la ley de Biot-Savart, un campo magnético perpendicular al sentido de la corriente, como podemos ver en la foto. Ese campo magnético mueve unos pequeños dominios magnéticos del imán, hierro en nuestro caso, hace que se alineen en paralelo al campo magnético y lo potencian, teniendo así un perfecto imán.
La cuestión es que pese a que un electroimán lo podemos fabricar todos en casa su duración depende la fuente de energía que aportes y claro, no veo yo a Tony Stark cambiando la batería de su electroimán cada 10 minutos.
Lo que me lleva el segundo punto, el reactor ARC no es más que un acelerador de partículas miniaturizado.
Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar y colisionar distintas partículas generando así nuevas partículas y muchísima energía.
¿Cómo funciona un acelerador de partículas?
Lo primero que se hace es colocar las partículas que se quiere hacer colisionar, estas partículas se mueven en el interior de dos recipientes denominados "des", debido a su forma de D, situadas dentro de un campo magnético.
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| PERIODO DEL CICLOTRÓN |
En la región en la que se mueven las partículas se ha hecho vacío para que no haya pérdidas de energía.
Entre las dos des se mantiene una diferencia de potencial que varía en el tiempo con un período T igual al período del acelerador.
Esta diferencia de potencial crea un campo eléctrico entre las dos des, dentro de las des no pues el blindaje metálico al ser un conductor en equilibrio se polariza y genera otro campo eléctrico dentro lo que anula el externo (Jaula de Faraday).
Las partículas entran en ese acelerador y recorren una de en un tiempo 1/2T, al salir de una de, el potencial de la siguiente de es mayor que el de la anterior, lo que genera un campo eléctrico en ese sentido que acelera las partículas, después recorre la siguiente de en el mismo tiempo 1/2T pese a que su velocidad ha aumentado (el periodo es independiente de la velocidad de las partículas) y llega al siguiente espacio entre des, donde se ha invertido los potenciales de las des para generar un campo eléctrico en dirección opuesta al anterior y así aumentar de nuevo la energía cinética de la partícula.
Vamos a calcular ahora la energía cinética de dos partículas en el momento de la colisión:
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| Energía cinética de una partícula en un acelerador |
Sabiendo esto, tenemos dos opciones para el reactor ARC del señor Stark, que produzca una fisión nuclear o que produzca una fusión nuclear.
La fisión nuclear es el proceso de separación de un núcleo pesado de algún átomo de tal manera que se desprenda una energía mediante un proceso exotérmico separando el núcleo y obteniendo otros subproductos como neutrones.
Para dar lugar a una fisión nuclear no es necesario aplicar mucha energía, basta con bombardear un átomo con algún electrón y su propia inestabilidad hará el resto.
El problema radica en esa inestabilidad, pues los neutrones que se emiten en el primer choque tes necesario que induzcan una fisión con los núcleos separados de la primera fisión para así, generar una reacción en cadena.
Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón térmico y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:
-Un neutrón (no-térmico) rápidamente se escapará del material sin interaccionar de nuevo.
-Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y transformará el material en un isótopo (pero no inducirá la fisión).
-Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.
-Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.
Por tanto, hay que mantener a raya al neutrón con diversos moderadores.
Aparte del problema principal de que Stark tendría en su traje una central nuclear completa en miniatura, bastante extraño pues no hay espacio, tenemos el problema del calor que genera una fisión nuclear.
Actualmente el máximo legal permitido está en 575K, pero se han llegado a alcanzar temperaturas de 673K, esta temperatura.
Por tanto, para que mínimo no se muera quemado necesita un material con alta resistencia térmica, o lo que es lo mismo, baja conductividad térmica.
Veamos cómo podemos sacar la resistividad térmica y qué valor aproximado debería tener para que Tony Stark no sufriese los 673K .
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| Resistividad térmica |
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| Conductividad térmica |
Sabiendo que la temperatura media que se alcanza en esas reacciones nucleares es de 600K, la temperatura final que debería llegar a tener Tony Stark para sobrevivir que he decidido que sea en torno a los 298K(25 grados centígrados), que la superficie aproximada de un cuerpo humano son 2 metros cuadrados, y que el grosor del supuesto compuesto que forma la armadura pueden ser unos 20 centímetros, podemos sustituir todo en la ecuación para obtener la conductividad térmica.
Bien, para sacar el número de moles y el calor específico necesitamos conocer qué material es el que está cediendo esas cantidad de calor.
Por lo pronto, en una central nuclear existen diversos materiales y aleaciones que ceden ese calor de las reacciones, así que he cogido el acero de carbono que es una aleación de hierro y carbono en baja cantidad.
Sabiendo aproximadamente la masa molar de esa aleación y su calor específico he calculado que la conductividad térmica es de 44,28W/(m·K), por ende necesitamos un material que tenga una resistencia térmica de 0,022(m·K)/W, sabiendo que es el inverso de la conductividad.
A continuación voy a dejaros una tabla con las conductividades térmicas de algunos materiales:
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CONDUCTIVIDADES TÉRMICAS
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Como podemos apreciar, los metales pesados poseen una conductividad altísima mientras que la madera, el poliuretano o la tierra poseen resistencias más altas.
Por tanto cualquier material que tenga una conductividad inferior a 44,28 nos serviría para que Tony Stark no muriese calcinado, que funcionen otros sistemas del traje con esos materiales ya es otro tema.
Un apunte más, en los transbordadores espaciales, donde las temperaturas alcanzan hasta los 1260 grados Celsius las placas de aluminio deben mantenerse por debajo de los 177, para ello se recubren con distintas aleaciones que os mostraré a continuación.
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| PROTECCIÓN EN UN TRANSBORDADOR ESPACIAL |
Bien, ya hemos visto que el reactor de Tony Stark puede ser un reactor de fisión nuclear pero nuestra segunda opción también es viable, ¿puede ser un reactor de fusión nuclear?
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía gracias a la famosa ecuación de Einstein.
La fusión nuclear es, en definitiva, la situación inversa a la fisión nuclear.
Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.
No confundir la fusión nuclear con la fusión del núcleo de un reactor, que se refiere a la fusión del núcleo del reactor de una central nuclear debido al sobrecalentamiento producido por la deficiente refrigeración.
La fusión nuclear es el fenómeno que ocurre en las estrellas, donde constantemente se están fusionando átomos de Hidrógeno para dar átomos de Helio.
Tenéis más datos sobre la fusión nuclear en las estrellas en el siguiente enlace:
Pese a que la fusión nuclear es un proceso más limpio que la fisión pues no genera residuos radiactivos requiere de una gran cantidad de energía para conseguir fusionar los átomos de los distintos elementos.
Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos:
-Conseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por los electrones libres y los átomos altamente ionizados se denomina plasma.
-Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo.
-Una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.
Por tanto es necesario aplicar energías muy altas, eso significa una temperatura excepcional, casi al nivel del centro de algunas estrellas, en torno a 3273K(3000ºC), es casi el triple que lo que soportan los transbordadores espaciales en su salida y entrada en la atmósfera.
Hay muy pocos materiales que aguanten esta temperatura sin fundirse, el carburo de tántalo y el carburo de hafnio son dos de ellos, que pueden alcanzar hasta los 4000ºC, son aleaciones relativamente modernas y habría que ver si además poseen una resistividad térmica que no permita que Tony se muera quemado.
Por otra parte nuestro amigo Tony Stark no solo puede morir quemado, también puede acabar peor que Marie Curie ya que jugar con partículas atómicas no sale gratis.
Hablamos de la radiación sincrotrón:
La radiación de sincrotrón es la radiación electromagnética generada por partículas cargadas (tales como electrones) que se mueven según una trayectoria curva a alta velocidad (una fracción apreciable de la velocidad de la luz) en un campo magnético. Cuanto más rápido se mueven los electrones, más corta es la longitud de onda de la radiación. La emisión sincrotrón se produce artificialmente en los anillos de almacenamiento de un sincrotrón, y en la naturaleza se produce por los electrones a muy altas velocidades moviéndose a través de los campos magnéticos del espacio, y se observa en las explosiones y en remanentes de supernovas, radiogalaxias y
púlsares.
Bien, la fórmula de la potencia que emite una partícula es la siguiente:
Donde q es la carga eléctrica de la partícula, a es la aceleración de la misma, ε es la permitividad eléctrica en el vacío y c es la velocidad de la luz.
Para un electrón:
Para una órbita circular no relativista, la aceleración es justo la aceleración centrípeta, v2/r. Las órbitas de interés en los aceleradores son altamente relativista, por lo que la aceleración relativista puede ser obtenido de:
donde
y m es la masa en reposo de la partícula.
La velocidad de variación de g se desprecia. Esa suposición necesita realmente ser defendida con mayor rigor, pero parece que el término v4 debe dominar. La potencia radiada es por tanto:
Bien, calculando la potencia que emite un electrón que alcanza una aceleración de 40Mev/m, una aceleración media que alcanzan los electrones acelerados en un sincrotrón, aunque este valor puede variar y posiblemente en Iron Man fuese bastante más alto, he obtenido una potencia de 2,79E-16 W, es decir, 2,79E-16 julios de emisión de energía por segundo.
Variando estos parámetros con distintas partículas y elementos obtenemos energías totales muy elevadas.
Sabiendo que la dosis absorbida es la energía absorbida por masa sabemos que Tony Stark moriría en muy poco tiempo.
Bien, por ahora, esto es todo sobre la física de Iron Man. Pero volveremos más adelante con nuevas entradas donde repasaremos más funcionalidades de su traje:
¿Qué fuerza emiten sus propulsores para poder sostener o destruir Sokovia?
¿Qué material o grosor necesita en sus circuitos para soportar tal cantidad de intensidad eléctrica?
O incluso veremos la viabilidad de su traje nanotecnológico.
Espero que os haya gustado esta entrada y ya sabéis que podéis dejarme en los comentarios cualquier duda, ajuste en las cuentas o curiosidad.
También tenéis un apartado en la columna derecha del blog donde podéis contactar conmigo para preguntarme cualquier cosa o tratar el tema que deseéis.
"Una parte del viaje es el final"
Pero el viaje por la física de Iron Man aún no ha finalizado.
