🤲🏿 💗 🤵🏾 El ultracondensador de la NASA se ha convertido ... en un medidor de humedad 🤰🏻 🎎 🎅

Con la tecnología, mucho puede ir (e ir) no como nos gustaría. El Dr. Terry Rolin, analista de mal funcionamiento de sistemas electrónicos en el Marshall Space Flight Center, lo sabe de primera mano.

Su trabajo es encontrar soluciones a los problemas, y si no puede encontrarlos, entonces comienza a inventar. Cuando se instruyó a Rolin y su equipo para averiguar qué causó la falla de un sistema de batería grande en 2011, les hizo pensar en la pregunta fundamental: ¿podemos desarrollar una mejor fuente de energía?

Basado en la experiencia del equipo en ciencia de materiales, Rolin y su equipo se pusieron a trabajar. Comenzaron a resolver el problema desde cero, examinando las características ideales de la fuente de energía e intentando encontrar materiales que cumplieran con estos criterios mejor que los tradicionales.

"Comenzamos a trabajar con materiales sólidos para escapar de líquidos y geles y evitar materiales tóxicos", explica Rollin. Y, siguiendo algunos desarrollos ultramodernos que usan nanomateriales, dice que "logramos inventar un nuevo dispositivo, que llamamos un ultracondensador".

Este nuevo ultracondensador de la NASA consiste en material sólido diseñado para almacenar energía, y es más seguro que las baterías hechas de líquidos y geles tóxicos. Durante las pruebas, mostró una increíble sensibilidad a la humedad.

La nueva invención del equipo Rolin es representativa de una nueva clase de fuentes de alimentación, que representa un tipo de híbrido entre supercondensadores y baterías. En particular, combina alta capacidad (capacidad de almacenar carga) con "características de descarga inherentes a las baterías", es decir proporciona potencia constante a lo largo del tiempo. Al estar hecho de un material semiconductor, también es más resistente a las condiciones adversas, como los cambios de temperatura en la habitación, y es más seguro de fabricar y operar que los sistemas de baterías tradicionales.

La creación accidental de un sensor de humedad de semiconductores sorprendió a los ingenieros de la NASA que trabajan en nuevas tecnologías energéticas. Los intentos de encontrar un reemplazo para las baterías hechas de materiales tóxicos han llevado a la aparición de un nuevo sensor de humedad que puede dar lecturas sobre el nivel de humedad dentro del refrigerador o la nave espacial.

Rolin y su equipo esperan que este material revolucionario tenga un gran futuro en el espacio y los sistemas de energía comercial. Al mismo tiempo, la peculiaridad de las propiedades de su material innovador ha abierto aplicaciones inesperadas.

En las primeras etapas de las pruebas, Rolin notó una característica interesante que no podía explicar: "Un buen sistema de almacenamiento de energía debería tener una gran capacidad", dice. “Cuando sostuve el ultracondensador en mi mano y lo probé, la capacidad era muy alta. Pero cuando lo puse sobre la mesa y lo probé nuevamente, cayó bruscamente ".

Inicialmente, los ingenieros creían que la capacidad está influenciada por el calor del cuerpo de Rolin, por lo que realizaron pruebas en una cámara térmica. La capacidad no cambió.

"Pronto, nos dimos cuenta de que era la humedad en el aire exhalado lo que causaba estos grandes cambios", explica Rolin. "Lo probamos en una cámara de humedad y, por supuesto, vimos la gran respuesta del tanque a los cambios en los niveles de humedad".

El nuevo ultracondensador de Rolin resultó ser un elemento semiconductor sensible a la humedad.

Cambio tecnológico

Los sensores de humedad miden la cantidad de humedad en el aire mediante la detección de cambios que afectan las corrientes eléctricas o la temperatura. El ultracondensador de la NASA es extremadamente sensible a las condiciones cambiantes, detectando los más mínimos cambios. Además, se recuperó rápidamente, ya que descargó fácilmente la humedad superficial recogida.

Para medir la velocidad de reacción, el equipo probó su rendimiento frente a sensores de humedad comerciales y descubrió que era más rápido. Según Rolin, después de todas las pruebas de humedad que podrían haber llevado a cabo en la planta, necesitaban un socio en la industria para realizar controles más extensos.

Buscó ayuda de la Oficina de Transferencia de Tecnología en Marshall. La oficina anunció esta tecnología, y Roscid Technologies Inc., con sede en Woburn, Massachusetts, contactó a la NASA. La compañía suministra a la NASA equipos analíticos de alta calidad para probar mediciones de gases de alta pureza. A Roscid se le ofreció probar la nueva tecnología porque el personal estaba intrigado. El trabajo conjunto sobre el sensor de humedad permitió explorar una nueva tecnología que, cuando se examinó por primera vez, parecía prometedora.

"Le pedimos a Terry que enviara algunas muestras", explica Ken Murray, vicepresidente de desarrollo de nuevos negocios. "Inicialmente, se nos ocurrió la idea de ver qué tan duradero es el material y qué tan bien funcionará en varias condiciones".

Las pruebas se llevan a cabo en "entornos bastante desagradables", que incluyen "químicos terribles, cambios bruscos de temperatura y con una gran cantidad de ciclos de trabajo". La compañía ha confirmado que el material de la NASA recién creado, además de sus principales ventajas, tiene un valor agregado.

El tamaño de la superficie sensible necesaria para capturar los cambios en la humedad y la salida de la señal depende de una serie de factores: el tipo de material sensible, el entorno y la aplicación. La mayoría de los sensores usan polímeros o materiales cerámicos, que pueden tener baja sensibilidad, por lo que deben ser lo suficientemente grandes.

El problema que pueden encontrar todos los sensores existentes es el daño de la humedad que miden. Con el tiempo, los sensores absorben líquido, lo que conduce a la erosión del material sensible. Esto conduce a una distorsión de las lecturas o a una parada completa del sensor. En este sentido, es necesario un monitoreo continuo para garantizar la precisión de los datos y reemplazar los bloques dañados. Esto significa que la mayoría de los sensores son de corta duración, lo que aumenta el costo de mantenimiento del sistema.

La humedad es un problema para la producción en muchas industrias, incluidos los productos farmacéuticos, por lo que controlar los niveles de humedad es fundamental. Si el sensor falla o falla la calibración, esto puede resultar en una pérdida significativa. El nuevo sensor de humedad de semiconductores de la NASA puede revolucionar la industria con un hardware más robusto.

Murray descubrió que para obtener lecturas consistentes y precisas, una pequeña cantidad de material nuevo de la NASA, aproximadamente una centésima de pulgada, es suficiente. Para transformar esta señal en datos significativos, Roscid ha desarrollado y mejorado componentes electrónicos compatibles con el nuevo material.

"A medida que profundizamos en el sensor, queríamos llevarlo a un nuevo nivel", dice Murray. “Cada vez que notamos que aprendimos algo nuevo, y Terry modificó ligeramente la tecnología. El sensor se ha vuelto un poco más confiable para las aplicaciones que estamos probando ”.

Roscid firmó dos licencias de evaluación con Marshall para ir más allá de los requisitos de prueba de la NASA. Cuando Murray recurrió a nuevos clientes potenciales con muestras, dijo que "la reacción fue abrumadoramente positiva". Entonces, la compañía firmó una licencia no exclusiva y en 2019 comenzó a comercializar su modelo de sensor de humedad CBNS215.

Beneficios

Dichos sensores son necesarios en entornos donde se debe controlar la humedad, ya sea para mantener ciertas condiciones o para evitar que la humedad ingrese al producto. Además del mantenimiento de rutina y el reemplazo del sensor, los sistemas de control de humedad enfrentan tiempos de inactividad que requieren procedimientos de calibración costosos. Roscid cree que los sensores de la NASA reducirán significativamente esta carga. Murray cita la industria farmacéutica como un ejemplo.

"Después de procesar cada lote de medicamentos, las compañías farmacéuticas tienen que verificar los sensores en busca de estándares de calibración para asegurarse de que no se estén desviando", dice. "Si algún dispositivo falla, tendrán que retirar y rehacer el último lote o ponerlo en cuarentena".

Los sensores confiables permitirán a las compañías aumentar los ciclos de calibración, lo que tendrá un impacto significativo en el resultado final.

Los sensores pueden desviarse o fallar después de un "evento de humedad". La condensación en el sensor puede ser pequeña o significativa, por ejemplo, cuando el sensor está sumergido en cualquier líquido. A medida que el nuevo material pierde humedad, estos problemas pueden ser cosa del pasado.

"El material sensible de la NASA es un diseño de semiconductores, no hay necesidad de limpiar nada", explica Murray.

Esta fiabilidad es una característica esencial para aplicaciones de alta humedad y baja temperatura, como la refrigeración. A medida que la puerta del refrigerador se abre y cierra constantemente, la humedad y la temperatura cambian constantemente. Mantener las condiciones ideales sin un monitoreo constante es extremadamente difícil.

Un fabricante de refrigeradores domésticos de alta calidad prueba el sensor CBNS215 en una bandeja de verduras. El objetivo es mantener la humedad del aire al 95 por ciento a 37 ° F. Hasta ahora, la compañía no ha encontrado un solo sensor que mantenga la humedad de manera estable durante mucho tiempo.

"Hay una prueba que realizan estos tipos, y es bastante complicada", dice Rolin. “Roscid realizó una prueba similar por su cuenta y, según ellos, solo nuestro sensor logró pasarla con éxito. Esto está muy bien. "

A Rolin le gustaría encontrar una solución a un problema importante que permitiría a los consumidores y las compañías de gas ahorrar millones de dólares. Este problema es el agua que ingresa a la gasolina.

Murray cree que un nuevo sensor puede ayudar. "Monitorear el nivel de humedad en los tanques subterráneos de almacenamiento de gasolina puede reducir la posibilidad de que entre agua en su automóvil", explica. También se pueden instalar sensores en los tanques de combustible de los automóviles, advirtiendo a los conductores sobre la entrada de humedad en el sistema de suministro de combustible.

Las compañías de petróleo y gas también han mostrado interés en el CBNS215. Necesitan tecnología que funcione en puntos de rocío bajos y a temperaturas de hasta -70 grados Celsius. Los sensores de alúmina actualmente en uso tienen serias limitaciones: largos tiempos de respuesta y largos tiempos de secado. Pueden pasar varios días o semanas antes de que el sistema comience a funcionar después de la exposición a la humedad. Murray se ha asociado con la industria para asegurarse de que el sensor de la NASA sea un verdadero reemplazo.

La esterilización en frío, los contenedores y camiones de transporte refrigerados, así como las aerolíneas, son solo algunos ejemplos de industrias interesadas en discutir la nueva tecnología de sensores y en discutirla con Roscid.

"Es especialmente útil que las aeronaves militares tengan un sensor de humedad que lea con precisión el nivel del punto de rocío en la atmósfera a través de la cual vuela la aeronave", explica Murray. "Esta tarea está siendo estudiada".

Esta copia de la nave espacial SpaceX Crew Dragon está siendo sometida a pruebas de control ambiental y sistema de soporte vital para la tripulación de la nave espacial. Los sistemas de soporte vital en el espacio son complejos y delicados. El innovador material sensible a la humedad en estado sólido desarrollado por la NASA puede ayudar a detectar pequeñas fugas en estos sistemas, ya que es sensible a los cambios más pequeños en el aire, lo que permite a los astronautas realizar las reparaciones necesarias y evitar problemas graves.

Estas diversas aplicaciones introducen nuevas industrias a la tecnología de la NASA, y Murray rinde homenaje a la Agencia Espacial por eso.

"Si la NASA dice que funciona, entonces funciona", dice. "La NASA es un gran socio porque están verdaderamente comprometidos no solo con su trabajo, sino también con el proceso de comercialización".

Rolin y su equipo están buscando aplicaciones espaciales para beneficiarse de este descubrimiento inesperado.

"Ahora que sabemos que nuestro nuevo material es sensible a la humedad y que parece tolerar los picos de temperatura, podemos colocarlo de manera segura en uno de nuestros bancos de prueba", explica. "Si funciona bien, entonces la NASA tendrá un sensor que es posible gracias a una asociación con Roscid".

Se planea enviar el sensor al espacio durante un vuelo experimental a la EEI asociado con los materiales. Un vuelo exitoso demostrará que el nuevo material puede usarse en futuros vuelos.

Tras señalar que la NASA usa sensores de humedad en la estación espacial para el monitoreo ambiental y los sistemas de soporte vital, Rolin introdujo un sensor en miniatura que ayudará a controlar todo, desde detener la respiración de los astronautas durante el sueño, hasta la detección temprana de fugas peligrosas en el sistema.

En cuanto al uso de ultracondensadores, los resultados preliminares son prometedores y todavía hay muchas pruebas por delante.

"Es posible crear un sistema combinado que acumule energía y también sirva como sensor de humedad en cohetes y otras naves espaciales", dice Rolin.

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El ultracondensador de la NASA se ha convertido ... en un medidor de humedad

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