• Un equipo del Departamento de Física, liderado por el Dr. Raúl Cordero, es el responsable de este estudio, con una estación de monitoreo ubicada en la llanura de Chajnantor, y que cuenta con radiómetros y tecnología fotométrica de frontera. “En el norte de Chile, esta es la primera estación que mide el espectro solar”, advierte el académico.

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Santiago, liderados por el Dr. Raúl Cordero, completaron la instalación de la primera estación en el norte de Chile que medirá el espectro solar y, por lo tanto, los efectos del cambio climático en una amplia zona del hemisferio sur del planeta.

Se trata de la TARP-04 (Transport Antarctic Research Plataform), que se encuentra ubicada en la llanura Chajnantor junto al observatorio ALMA, a unos 40 kilómetros al este de San Pedro de Atacama.

La estación cuenta con radiómetros y tecnología fotométrica de punta, lo que le permitirá realizar una serie de mediciones. El científico subraya que Chajnantor es el lugar donde se han registrado los valores más altos de irradiación UV en el planeta y, por lo tanto, es un laboratorio natural para estudiar la degradación de materiales con la radiación solar.  

“Cuando se mide el espectro solar, inmediatamente se advierte el efecto del vapor de agua, del oxígeno, de los aerosoles y del ozono. Al hacerlo, estás midiendo, de manera indirecta, el contenido de gases en la atmósfera. Por lo tanto, esto permite estudiar, por un lado, la radiación solar y, por otro, la composición atmosférica, y el cambio climático es un cambio justamente en esto último”, sostiene Cordero.

Los espectroradiómetros de la estación, explica, son instrumentos con entrada óptica por donde entra la radiación solar y, luego, esta se va a una fibra óptica que se dirige hacia un detector, lo que también permite caracterizar el potencial solar de la zona. Los equipos son operados de manera remota por el grupo que lidera el Dr. Cordero.

“En el norte de Chile, esta es la primera estación que mide el espectro solar”, asegura. La estación es gemela a la plataforma TARP-02, instalada el año pasado por el mismo grupo en la Isla Rey Jorge, ubicada a unos mil 200 kilómetros al sur de Punta Arenas.

La plataforma de investigación se encuentra a cinco mil 200 metros de altura, lo que implica “un beneficio para las mediciones. Aquí, en el norte de Chile a esa altura tenemos pocas nubes. En cambio, en la Antártica es lo contrario. Entonces, con los mismos instrumentos, mediremos en dos condiciones diferentes: sin nubes y con nubes, y eso entrega información sobre las propiedades ópticas en la nubosidad”.

Las estaciones TARP-04 y TARP-02 se encuentran separadas por 4 mil 500 kilómetros, en una misma línea longitudinal o transecta. “Eso nos va a permitir comprender el clima en uno y otro lugar, y buscar correlaciones entre esos dos puntos. No sabemos cuáles, pero se sabe que el agujero en la capa de ozono en la Antártica impacta en el clima de todo el hemisferio sur”, anticipa.

“A medida que el agujero se cierra, se esperan importantes cambios en los patrones de nubosidad y precipitaciones del hemisferio sur con un gradiente latitudinal (o variación de magnitud por longitud) que estas estaciones pueden ayudar a detectar”, señala.

Un paso relevante

El académico sostiene que la instalación de la estación significa un paso relevante hacia el monitoreo de los cambios en el clima y en el agujero de ozono. “Son esfuerzos relevantes en el marco de un esfuerzo internacional para entender mejor los efectos del cambio climático en el  hemisferio sur”, destaca.

El Dr. Cordero también resalta las implicancias del proyecto para la naciente industria solar chilena. “La operación de estas estaciones permitirá la formación de capital humano avanzado en áreas como la radiometría y la fotometría, que son intensivas en el uso de tecnología. Más tecnología y mejores técnicos son aportes con los que este tipo de iniciativas contribuyen al desarrollo sustentable del país”, afirma.

La instalación de la estación, en la llanura de Chajnantor junto al observatorio ALMA, ha permitido a la Universidad de Santiago pasar a formar parte del Chajnantor Working Group (CWG), en el que participan instituciones que mantienen estaciones o proyectos en esa área. Entre los miembros destacados del CWG se encuentran, además de la European Southern Observatory (ESO), la Universidad de California Berkeley, la Universidad John Hopkins, la Universidad de Princeton y la Universidad de Tokio.

La nueva estación es funcional a varias de las investigaciones de interés público, con financiamiento CORFO, que lidera este grupo de investigación de la Universidad de Santiago. “Estas incluyen el estudio del polvo del desierto en los módulos fotovoltaicos, la caracterización del espectro de onda corta en el desierto de Atacama, así como estudios relacionados con los efectos negativos de la radiación UV”, explica el académico.

• El estudio se extenderá por tres años dentro de los cuales se desarrollarán herramientas computacionales que permitan  optimizar equipos y procesos en los cuales se transfiera energía por medio de fluidos vía simulación numérica, con la finalidad de a largo plazo, orientar el desarrollo de prototipos en la industria chilena.

La transferencia de calor es una ciencia que estudia la rapidez de transferencia de energía térmica en distintos medios. Tiene una amplia área de aplicación a nivel industrial. En específico en el proyecto de investigación, se estudiará la transferencia de energía térmica a través de fluidos. El Doctor Ernesto Castillo, académico del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Santiago de Chile, buscará a través de un estudio reemplazar los fluidos utilizados normalmente para transportar dicha energía, por otros no convencionales del tipo no-newtonianos.

La iniciativa se enmarca en un proyecto Fondecyt de Iniciación 2016 (11160160) recientemente adjudicado, donde el investigador tratará de encontrar alternativas que no se encuentran disponibles en lugares comerciales o más aún, no son conocidas por la industria y que se caracterizan por ser no-newtonianos. Según el docente, al tener propiedades térmicas mejoradas, estos fluidos reducirán los costos de transporte y mejorarán la eficiencia térmica.

En este caso, la investigación se hará vía simulación numérica, a través de un computador para poder aproximar la física que hay detrás de los problemas que se están analizando, lo cual permitirá entregar soluciones a la industria, dar ideas y que ellos puedan reducir la cantidad de prototipos que generalmente se construyen para dar lugar a un nuevo diseño.

“Vamos a generar herramientas computacionales, trabajamos en algo abstracto, matemático-numérico y que se pueda aplicar en cualquier proceso en donde se transfiera energía por medio de fluidos. Podrías, por ejemplo, mejorar equipos de intercambio de calor, reactores químicos, aumentar la transferencia de calor el colectores solares, mejorar procesos de esterilización de alimentos, entre otras aplicaciones”, explica el experto.

Desde el punto de vista científico, el académico explica que esta investigación tiene como motivación principal intentar reproducir y aproximar numéricamente, de la mejor manera posible, la física que hay detrás del problema de la turbulencia de fluidos no-newtonianos.

“Si miramos los resultados obtenidos de manera experimental y los asociados con aproximaciones numéricas, encontramos muchas veces discrepancias, vemos que los resultados no se parecen, y que por lo mismo, la física del problema no se está reproduciendo de buena manera. Más aún, si nosotros comparamos los diferentes métodos de aproximación numérica, nos damos cuenta que entre estos mismos, hay diferencias, lo que nos hace darnos cuenta de la necesidad de trabajar en el desarrollo de métodos numéricos que sean capaces de aproximar la física que gobierna el problema de la turbulencia en fluidos no-newtonianos”, indica.

El objetivo de trabajar este tema apunta a un desarrollo científico y tecnológico. Las expectativas de  este  proyecto Fondecyt, cuya duración es de tres años, es traer a investigadores de alto nivel, expertos en matemática y en mecánica computacional que puedan ser un aporte a lo largo de la investigación, los cuales además, puedan dar charlas en la universidad. Una vez desarrolladas las herramientas computacionales, un segundo paso podría ser la generación de prototipos basándose en los resultados obtenidos.

“La eficiencia energética es un tema que nos preocupa a todos, y por lo mismo, orientar un trabajo de investigación al desarrollo de nuevas tecnologías que puedan aportar en la búsqueda de soluciones a este problema global, corresponde a la motivación más grande por la cual se ha propuesto el proyecto”, agrega.

• Physical Review Letters (PRL) editará importantes avances del Dr. Felipe Herrera respecto al control de reacciones químicas usando óptica cuántica. El académico explica que, en términos simples, “comprobamos que esas reacciones o transferencias de electrones se pueden acelerar o reducir”.

La prestigiosa revista estadounidense especializada en Física, Physical Review Letters (PRL) de la American Physical Society (APS) publicará a fines de este mes un relevante descubrimiento en esta área del académico del Departamento de Física de nuestra Casa de Estudios, Dr. Felipe Herrera, junto a su colega norteamericano, Dr. Francis C. Spano, académico de la Universidad de Temple de Filadelfia.

El artículo publicado (“Cavity-controlled chemistry in molecular ensembles”) destacará los importantes avances de los investigadores respecto al control de reacciones químicas usando óptica cuántica. El Dr. Felipe Herrera explica que, en términos simples, “comprobamos que esas reacciones o transferencias de electrones se pueden acelerar o reducir”.

Gráficamente, el modelo consiste en una cavidad óptica rodeada por dos espejos que evitan que la luz los traspase, “por tanto, la cantidad de energía es la mínima que puede existir en un campo electromagnético. Es decir, hay cero o una unidad de energía lumínica, que también se llama fotón”, aclara el Dr. Herrera.

En una primera etapa, el investigador recuerda que se preguntaron junto a su colega “qué efectos tiene la cavidad óptica en las reacciones químicas o transferencias de electrones, es decir, si las aumentan, las suprimen o en realidad no ocurre nada”.

En ese contexto, el investigador recalca que finalmente “encontramos un mecanismo por el cual esa cavidad óptica, que es cuántica, porque existen unidades de energía discretas, puede acelerar dramáticamente la reacción y transferencia de electrones en moléculas”.

Ejemplo de reacciones químicas

Para explicarlo más sencillamente, el Dr. Herrera ejemplifica que las transferencias de electrones ocurren incluso en nuestro propio cuerpo.

“Por ejemplo, el ciclo electroquímico que transforma en nuestro cuerpo el oxígeno en moléculas que generan energía o proteínas, son reacciones químicas o transferencia de electrones, desde un ‘donor’ a un ‘aceptor’”, subraya.

Agrega que “también sucede en las plantas donde la fotosíntesis convierte la energía del sol en energía química. Ese proceso es transferencia electrónica”.

Asimismo, el científico destaca que las reacciones de transferencia electrónica son muy relevantes en todas las áreas de la ciencia como la biología o la química. “Otros ejemplos son las baterías y las celdas solares, que también funcionan a base reacciones transformando energía química en eléctrica”, enfatiza, acotando que “con este tipo de sistema se podrán hacer nuevas celdas solares”.

Idea básica

Respecto al detalle del descubrimiento teórico, el Dr. Herrera detalla que en el proceso, al principio “hay dos jugadores, el electrón que se va a transferir y la vibración de las moléculas, que de cierta manera influyen cómo este electrón se va a transferir de un lugar a otro. Si vibra demasiado el electrón se va a perturbar, por tanto, la transferencia va a ser poco eficiente”.

En esa línea, el académico precisa que “cuando se agrega otro factor que es la cavidad óptica, hay un tercer jugador que es el fotón o partícula de campo electromagnético cuantizado, y ese fotón entra ahora a interaccionar con el electrón dentro de la cavidad óptica”.

“Y lo que descubrimos fue que la luz cuantizada hace un juego en que el electrón se convierte en un fotón y el fotón se vuelve a convertir en electrón, y viceversa. Ese juego solo ocurre dentro de la cavidad y hace que el electrón deje de interaccionar con la vibración, eliminando o bloqueando las vibraciones”, enfatiza.

En relación a qué material dentro de la cavidad óptica acelera o reduce la transferencia de electrones, el Dr. Herrera comenta que han experimentado con materiales orgánicos o moléculas orgánicas -como las que conforman nuestro cuerpo- aunque aclara que “ese material orgánico también puede ser una proteína como ya lo han experimentado otros investigadores que han ocupado como base nuestro descubrimiento”.

Physical Review Letters

En cuanto a la publicación del descubrimiento, primero en la versión online de Physical Review Letters, y a fines de junio en el impreso, el Dr. Herrera subraya que “es un gran honor dada la dificultad de recibir tal reconocimiento de esta prestigiosa revista”.

La investigación fue concluida recién en diciembre pasado y no solo la revista se interesó en el artículo, de hecho, destacó, “el descubrimiento es hasta ahora la base de al menos cuatro estudios”, además, precisa, que han sido invitados a varias conferencias para detallar aspectos de la investigación.

Cabe destacar que la revista Physical Review Letters es la más prestigiosa en el campo de la física. Un ejemplo de ello fue la publicación en exclusiva en febrero de este año del descubrimiento de un grupo de científicos del observatorio LIGO, en Louisiana, Estados Unidos, de las “ondas gravitacionales”.

• La ingeniera Física, astrónoma, y docente del Departamento de Física de la Facultad de Ciencia del Plantel, Dra. Leonor Huerta Cancino, adquirió el grado de doctora en Física Educativa, Evaluación e Investigación en la Educación en la prestigiosa institución norteamericana.
• Los resultados parciales fueron presentados por la académica en 2015 en el Seminario de la Asociación Latinoamericana de Investigación en Educación en Ciencias, Lasera (Latin American Science Education Research Association), en Colombia.
• Asimismo, uno de los resultados ya fue publicado en el prestigioso boletín Latin-American Journal of Physics Education (LAJPE vol. 4 de 2016), y aún están en revisión para ser publicados en la revista Estudios Pedagógicos, de nuestro país, y la revista Iberoamericana de Educación Superior, de México.

La ingeniera Física, astrónoma, y profesora del Departamento de Física de la Facultad de Ciencia del Plantel, Dra. Leonor Huerta Cancino, recibió el grado de doctora en Física Educativa, Evaluación e Investigación en la Educación en el Instituto Politécnico Nacional de Ciudad de México (IPN), México, considerada como una de las mejores universidades dedicadas a la investigación y la educación en aquel país y América Latina.

La tesis “Desarrollo de secuencias de aprendizaje activo para enfrentar las ideas previas sobre Tierra y Universo de estudiantes de Pedagogía en Física” defendida en diciembre del año pasado, propone “identificar las ideas previas o concepciones alternativas de los estudiantes de Pedagogía en Física y Matemática de nuestra Universidad, específicamente de quienes cursan el ramo obligatorio Física del Universo, impartido en el segundo año de la carrera”, indica la Dra. Huerta.

Previamente, los estudiantes son evaluados a través de una prueba estandarizada estadounidense llamada Astronomy Diagnostic Test (ADT), “con algunas modificaciones locales como reemplazar el sistema de medición norteamericano por el métrico, y la constelación del hemisferio norte Osa Mayor por Orión, que se puede ver desde Chile”, apunta la académica.

Tras ello, la Dra. Huerta identificó las concepciones alternativas o ideas previas de los estudiantes, luego de analizar las respuestas del test. “Los resultados fueron muy sorpresivos, porque las concepciones alternativas entre los estudiantes de 2014, que fue el primer año en que se aplicó la prueba, y los de 2015, eran en un 99 por ciento similares”, sostiene la docente.

Un ejemplo de una idea previa, explica la profesora, es que la mayoría de los estudiantes contestó que las estrellas rojas tienen mayor temperatura que las estrellas azules, “y eso no es así”.

“Eso pasa porque tenemos sangre roja y cuando hace calor, nos vasodilatamos y nos ponemos rojos, y cuando hace frío, azules. Pero en realidad, que las estrellas azules sean de mayor temperatura se explica porque, por ejemplo, el fuego cuando es más intenso es de color azul”, recalca la Dra. Huerta.

Y acota que por tanto, esto ocurre porque “está más reforzada la otra idea, esa es una concepción alternativa o una idea previa, y tiene que ver con cómo se explican los fenómenos naturales de acuerdo a las creencias y los pensamientos”.

Diseños didácticos

En ese contexto, y tras conocer los resultados del test, la propuesta incluida en la tesis de la Dra. Huerta consiste en elaborar diseños didácticos que permitan a los estudiantes desestimar su concepción o idea previa y conocer la concepción científica, “y que demuestren que cuando en el futuro enseñen, lo hagan través del conocimiento científico y dejen de lado las concepciones alternativas”, subraya la académica.

A través de los diseños didácticos los estudiantes debían explicar tres fenómenos físicos: las estaciones del año, los eclipses de luna y de sol, y las fases de la luna.

“Para eso debían recoger información, organizarla, articular conceptualmente, y finalmente presentar un producto que permitiera la transposición didáctica, es decir, que sea utilizable en el aula de enseñanza media”, indica la profesora.

Resultados parciales

Según la Dra. Huerta, los resultados, aunque parciales, fueron “fantásticos”. “Y eso es muy motivante, porque cuando uno ve a sus estudiantes desarrollar competencias, es realmente muy estimulante”, puntualiza.

Y esos resultados parciales fueron presentados por la académica en 2015 en el Seminario de la Asociación Latinoamericana de Investigación en Educación en Ciencias, Lasera (Latin American Science Education Research Association), en Colombia.

Uno de los resultados ya fue publicado en el prestigioso boletín Latin-American Journal of Physics Education (LAJPE), y aún están en revisión para ser publicados en la revista Estudios Pedagógicos, de nuestro país, y la revista Iberoamericana de Educación Superior, de México.

Asimismo, la Dra. Huerta enfatiza que el Plantel la apoyó con dos proyectos previos que reforzaron su tesis. Uno es un Proyecto de Innovación Docente (PID 006-2014) llamado “Determinación de concepciones alternativas y cambio conceptual en el área de las Ciencias de la Tierra y el Espacio, en la formación inicial docente de los alumnos de Pedagogía en Física y Matemática de la USACH”, cuyo informe final es en marzo próximo.

“Fue de gran importancia porque me permitió ir desarrollando tranquilamente instrumentos que necesitaba para el desarrollo de la tesis”, asegura.

El segundo proyecto es de Evaluación de Impacto de Innovaciones Docentes, presentado en el Congreso de Innovación, Tecnología y Aprendizaje en Educación Superior, INTEA, en nuestra Casa de Estudios en mayo pasado, donde también presentó otras dos iniciativas como coautora.

Trayectoria

La Dra. Huerta ingresó al Plantel en 1989 a estudiar Ingeniera Física y se tituló de la carrera y de Física Aplicada en 1995. Un año más tarde ya hacía clases en nuestra Casa de Estudios como profesora por horas.

En 2000 ingresa al magíster en Ciencias, mención Astronomía, en la U. de Chile. En 2003, como parte del posgrado, estuvo un año como estudiante visitante en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Yale, en New Haven, Connecticut.

En 2006 vuelve a la Universidad de Santiago tras fundarse la carrera de Pedagogía en Física y Matemática, que incluía en la malla el módulo Física del Universo, al cual postuló.

La Dra. Huerta, además, es integrante del Grupo Interdisciplinario de Investigación en Ciencias y Matemática Educativa del Departamento de Física, y es Coordinadora de Laboratorios de la carrera Pedagogía en Física y Matemática.

Desafíos

En cuanto los desafíos que se ha planteado la académica, está seguir profundizando en investigación en educación.

“Estamos estableciendo varias redes de colaboración con nuestros propios egresados, para trabajar en la problemática en el aula directamente. Entonces, nuestros sujetos de estudios serán los estudiantes de enseñanza media”, adelanta.

En esa línea, explica que “tenemos una relación bastante fluida con varios establecimientos. En algunos están trabajando nuestros propios egresados, por tanto, ahí hay una red latente para ser utilizada para hacer investigación directamente en el aula a nivel de enseñanza media”.

Y agrega que “este año 2017 lo quiero dedicar a eso. Determinar concepciones alternativas o ideas previas de estudiantes que pasan de la enseñanza básica a la media, es decir, de sexto a séptimo año. La idea es detectar concepciones que no son congruentes con el conocimiento científico para poder adoptar ciertas medidas”, concluye.

• Un equipo del Departamento de Física, liderado por el Dr. Raúl Cordero, es el responsable de este estudio, con una estación de monitoreo ubicada en la llanura de Chajnantor, y que cuenta con radiómetros y tecnología fotométrica de frontera. “En el norte de Chile, esta es la primera estación que mide el espectro solar”, advierte el académico.

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Santiago, liderados por el Dr. Raúl Cordero, completaron la instalación de la primera estación en el norte de Chile que medirá el espectro solar y, por lo tanto, los efectos del cambio climático en una amplia zona del hemisferio sur del planeta.

Se trata de la TARP-04 (Transport Antarctic Research Plataform), que se encuentra ubicada en la llanura Chajnantor junto al observatorio ALMA, a unos 40 kilómetros al este de San Pedro de Atacama.

La estación cuenta con radiómetros y tecnología fotométrica de punta, lo que le permitirá realizar una serie de mediciones. El científico subraya que Chajnantor es el lugar donde se han registrado los valores más altos de irradiación UV en el planeta y, por lo tanto, es un laboratorio natural para estudiar la degradación de materiales con la radiación solar.  

“Cuando se mide el espectro solar, inmediatamente se advierte el efecto del vapor de agua, del oxígeno, de los aerosoles y del ozono. Al hacerlo, estás midiendo, de manera indirecta, el contenido de gases en la atmósfera. Por lo tanto, esto permite estudiar, por un lado, la radiación solar y, por otro, la composición atmosférica, y el cambio climático es un cambio justamente en esto último”, sostiene Cordero.

Los espectroradiómetros de la estación, explica, son instrumentos con entrada óptica por donde entra la radiación solar y, luego, esta se va a una fibra óptica que se dirige hacia un detector, lo que también permite caracterizar el potencial solar de la zona. Los equipos son operados de manera remota por el grupo que lidera el Dr. Cordero.

“En el norte de Chile, esta es la primera estación que mide el espectro solar”, asegura. La estación es gemela a la plataforma TARP-02, instalada el año pasado por el mismo grupo en la Isla Rey Jorge, ubicada a unos mil 200 kilómetros al sur de Punta Arenas.

La plataforma de investigación se encuentra a cinco mil 200 metros de altura, lo que implica “un beneficio para las mediciones. Aquí, en el norte de Chile a esa altura tenemos pocas nubes. En cambio, en la Antártica es lo contrario. Entonces, con los mismos instrumentos, mediremos en dos condiciones diferentes: sin nubes y con nubes, y eso entrega información sobre las propiedades ópticas en la nubosidad”.

Las estaciones TARP-04 y TARP-02 se encuentran separadas por 4 mil 500 kilómetros, en una misma línea longitudinal o transecta. “Eso nos va a permitir comprender el clima en uno y otro lugar, y buscar correlaciones entre esos dos puntos. No sabemos cuáles, pero se sabe que el agujero en la capa de ozono en la Antártica impacta en el clima de todo el hemisferio sur”, anticipa.

“A medida que el agujero se cierra, se esperan importantes cambios en los patrones de nubosidad y precipitaciones del hemisferio sur con un gradiente latitudinal (o variación de magnitud por longitud) que estas estaciones pueden ayudar a detectar”, señala.

Un paso relevante

El académico sostiene que la instalación de la estación significa un paso relevante hacia el monitoreo de los cambios en el clima y en el agujero de ozono. “Son esfuerzos relevantes en el marco de un esfuerzo internacional para entender mejor los efectos del cambio climático en el  hemisferio sur”, destaca.

El Dr. Cordero también resalta las implicancias del proyecto para la naciente industria solar chilena. “La operación de estas estaciones permitirá la formación de capital humano avanzado en áreas como la radiometría y la fotometría, que son intensivas en el uso de tecnología. Más tecnología y mejores técnicos son aportes con los que este tipo de iniciativas contribuyen al desarrollo sustentable del país”, afirma.

La instalación de la estación, en la llanura de Chajnantor junto al observatorio ALMA, ha permitido a la Universidad de Santiago pasar a formar parte del Chajnantor Working Group (CWG), en el que participan instituciones que mantienen estaciones o proyectos en esa área. Entre los miembros destacados del CWG se encuentran, además de la European Southern Observatory (ESO), la Universidad de California Berkeley, la Universidad John Hopkins, la Universidad de Princeton y la Universidad de Tokio.

La nueva estación es funcional a varias de las investigaciones de interés público, con financiamiento CORFO, que lidera este grupo de investigación de la Universidad de Santiago. “Estas incluyen el estudio del polvo del desierto en los módulos fotovoltaicos, la caracterización del espectro de onda corta en el desierto de Atacama, así como estudios relacionados con los efectos negativos de la radiación UV”, explica el académico.

• El estudio se extenderá por tres años dentro de los cuales se desarrollarán herramientas computacionales que permitan  optimizar equipos y procesos en los cuales se transfiera energía por medio de fluidos vía simulación numérica, con la finalidad de a largo plazo, orientar el desarrollo de prototipos en la industria chilena.

La transferencia de calor es una ciencia que estudia la rapidez de transferencia de energía térmica en distintos medios. Tiene una amplia área de aplicación a nivel industrial. En específico en el proyecto de investigación, se estudiará la transferencia de energía térmica a través de fluidos. El Doctor Ernesto Castillo, académico del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Santiago de Chile, buscará a través de un estudio reemplazar los fluidos utilizados normalmente para transportar dicha energía, por otros no convencionales del tipo no-newtonianos.

La iniciativa se enmarca en un proyecto Fondecyt de Iniciación 2016 (11160160) recientemente adjudicado, donde el investigador tratará de encontrar alternativas que no se encuentran disponibles en lugares comerciales o más aún, no son conocidas por la industria y que se caracterizan por ser no-newtonianos. Según el docente, al tener propiedades térmicas mejoradas, estos fluidos reducirán los costos de transporte y mejorarán la eficiencia térmica.

En este caso, la investigación se hará vía simulación numérica, a través de un computador para poder aproximar la física que hay detrás de los problemas que se están analizando, lo cual permitirá entregar soluciones a la industria, dar ideas y que ellos puedan reducir la cantidad de prototipos que generalmente se construyen para dar lugar a un nuevo diseño.

“Vamos a generar herramientas computacionales, trabajamos en algo abstracto, matemático-numérico y que se pueda aplicar en cualquier proceso en donde se transfiera energía por medio de fluidos. Podrías, por ejemplo, mejorar equipos de intercambio de calor, reactores químicos, aumentar la transferencia de calor el colectores solares, mejorar procesos de esterilización de alimentos, entre otras aplicaciones”, explica el experto.

Desde el punto de vista científico, el académico explica que esta investigación tiene como motivación principal intentar reproducir y aproximar numéricamente, de la mejor manera posible, la física que hay detrás del problema de la turbulencia de fluidos no-newtonianos.

“Si miramos los resultados obtenidos de manera experimental y los asociados con aproximaciones numéricas, encontramos muchas veces discrepancias, vemos que los resultados no se parecen, y que por lo mismo, la física del problema no se está reproduciendo de buena manera. Más aún, si nosotros comparamos los diferentes métodos de aproximación numérica, nos damos cuenta que entre estos mismos, hay diferencias, lo que nos hace darnos cuenta de la necesidad de trabajar en el desarrollo de métodos numéricos que sean capaces de aproximar la física que gobierna el problema de la turbulencia en fluidos no-newtonianos”, indica.

El objetivo de trabajar este tema apunta a un desarrollo científico y tecnológico. Las expectativas de  este  proyecto Fondecyt, cuya duración es de tres años, es traer a investigadores de alto nivel, expertos en matemática y en mecánica computacional que puedan ser un aporte a lo largo de la investigación, los cuales además, puedan dar charlas en la universidad. Una vez desarrolladas las herramientas computacionales, un segundo paso podría ser la generación de prototipos basándose en los resultados obtenidos.

“La eficiencia energética es un tema que nos preocupa a todos, y por lo mismo, orientar un trabajo de investigación al desarrollo de nuevas tecnologías que puedan aportar en la búsqueda de soluciones a este problema global, corresponde a la motivación más grande por la cual se ha propuesto el proyecto”, agrega.

• Physical Review Letters (PRL) editará importantes avances del Dr. Felipe Herrera respecto al control de reacciones químicas usando óptica cuántica. El académico explica que, en términos simples, “comprobamos que esas reacciones o transferencias de electrones se pueden acelerar o reducir”.

La prestigiosa revista estadounidense especializada en Física, Physical Review Letters (PRL) de la American Physical Society (APS) publicará a fines de este mes un relevante descubrimiento en esta área del académico del Departamento de Física de nuestra Casa de Estudios, Dr. Felipe Herrera, junto a su colega norteamericano, Dr. Francis C. Spano, académico de la Universidad de Temple de Filadelfia.

El artículo publicado (“Cavity-controlled chemistry in molecular ensembles”) destacará los importantes avances de los investigadores respecto al control de reacciones químicas usando óptica cuántica. El Dr. Felipe Herrera explica que, en términos simples, “comprobamos que esas reacciones o transferencias de electrones se pueden acelerar o reducir”.

Gráficamente, el modelo consiste en una cavidad óptica rodeada por dos espejos que evitan que la luz los traspase, “por tanto, la cantidad de energía es la mínima que puede existir en un campo electromagnético. Es decir, hay cero o una unidad de energía lumínica, que también se llama fotón”, aclara el Dr. Herrera.

En una primera etapa, el investigador recuerda que se preguntaron junto a su colega “qué efectos tiene la cavidad óptica en las reacciones químicas o transferencias de electrones, es decir, si las aumentan, las suprimen o en realidad no ocurre nada”.

En ese contexto, el investigador recalca que finalmente “encontramos un mecanismo por el cual esa cavidad óptica, que es cuántica, porque existen unidades de energía discretas, puede acelerar dramáticamente la reacción y transferencia de electrones en moléculas”.

Ejemplo de reacciones químicas

Para explicarlo más sencillamente, el Dr. Herrera ejemplifica que las transferencias de electrones ocurren incluso en nuestro propio cuerpo.

“Por ejemplo, el ciclo electroquímico que transforma en nuestro cuerpo el oxígeno en moléculas que generan energía o proteínas, son reacciones químicas o transferencia de electrones, desde un ‘donor’ a un ‘aceptor’”, subraya.

Agrega que “también sucede en las plantas donde la fotosíntesis convierte la energía del sol en energía química. Ese proceso es transferencia electrónica”.

Asimismo, el científico destaca que las reacciones de transferencia electrónica son muy relevantes en todas las áreas de la ciencia como la biología o la química. “Otros ejemplos son las baterías y las celdas solares, que también funcionan a base reacciones transformando energía química en eléctrica”, enfatiza, acotando que “con este tipo de sistema se podrán hacer nuevas celdas solares”.

Idea básica

Respecto al detalle del descubrimiento teórico, el Dr. Herrera detalla que en el proceso, al principio “hay dos jugadores, el electrón que se va a transferir y la vibración de las moléculas, que de cierta manera influyen cómo este electrón se va a transferir de un lugar a otro. Si vibra demasiado el electrón se va a perturbar, por tanto, la transferencia va a ser poco eficiente”.

En esa línea, el académico precisa que “cuando se agrega otro factor que es la cavidad óptica, hay un tercer jugador que es el fotón o partícula de campo electromagnético cuantizado, y ese fotón entra ahora a interaccionar con el electrón dentro de la cavidad óptica”.

“Y lo que descubrimos fue que la luz cuantizada hace un juego en que el electrón se convierte en un fotón y el fotón se vuelve a convertir en electrón, y viceversa. Ese juego solo ocurre dentro de la cavidad y hace que el electrón deje de interaccionar con la vibración, eliminando o bloqueando las vibraciones”, enfatiza.

En relación a qué material dentro de la cavidad óptica acelera o reduce la transferencia de electrones, el Dr. Herrera comenta que han experimentado con materiales orgánicos o moléculas orgánicas -como las que conforman nuestro cuerpo- aunque aclara que “ese material orgánico también puede ser una proteína como ya lo han experimentado otros investigadores que han ocupado como base nuestro descubrimiento”.

Physical Review Letters

En cuanto a la publicación del descubrimiento, primero en la versión online de Physical Review Letters, y a fines de junio en el impreso, el Dr. Herrera subraya que “es un gran honor dada la dificultad de recibir tal reconocimiento de esta prestigiosa revista”.

La investigación fue concluida recién en diciembre pasado y no solo la revista se interesó en el artículo, de hecho, destacó, “el descubrimiento es hasta ahora la base de al menos cuatro estudios”, además, precisa, que han sido invitados a varias conferencias para detallar aspectos de la investigación.

Cabe destacar que la revista Physical Review Letters es la más prestigiosa en el campo de la física. Un ejemplo de ello fue la publicación en exclusiva en febrero de este año del descubrimiento de un grupo de científicos del observatorio LIGO, en Louisiana, Estados Unidos, de las “ondas gravitacionales”.