El hombre del renacimiento – La era dorada

En un documento de revisión acerca del impacto del avance tecnológico en la medición de las propiedades térmicas presentado en 1990 en la Conferencia Europea sobre Propiedades Termofísicas realizada en Viena, hice referencia al período de más de 20 años desde principios de 1960 hasta fines de 1980 como la “La era dorada” para quienes estamos interesados en el tema.

Durante este período, el crecimiento cada vez mayor de las tecnologías y los materiales nuevos y mejorados asociados y complementarios ofrecieron muchas oportunidades para la expansión significativa de los avances, las mejoras y la comprensión de las mediciones de las propiedades.

Sin embargo, dicho período se vio eclipsado por tres eventos mundiales que suscitaron mayores avances de nuevas tecnologías para soluciones potenciales. Me refiero a la “Guerra Fría” y la “Carrera Espacial” entre las naciones occidentales, principalmente Estados Unidos y la Unión Soviética, y luego y aún más importante para el futuro de la humanidad, las “Crisis Energéticas”. Afortunadamente, si observamos el lado positivo, estos acontecimientos promovieron el estímulo para obtener un financiamiento adecuado, al menos hasta la década de 1990, que resultó útil para abordar los diversos problemas técnicos que surgieron.

Personalmente, no podría haber elegido un mejor momento a mediados de 1960 para cambiar de empleo “cruzando la frontera” desde el Laboratorio Nacional de Física Nacional, una organización gubernamental del Reino Unido, hasta la compañía estadounidense de I/D y laboratorio de mediciones comerciales, Dynatech. Esta compañía de investigación y desarrollo fue fundada a principios de la década de 1960 por Warren Rohsenow y otros colegas profesores del MIT, entre ellos el rector J.P. Barger, garantizando así una insuperable reputación en materia de transferencia térmica. Con un personal que en su mayoría consistía de alumnos y graduados del MIT, muchos de ellos extranjeros, se hizo conocida como la liga de las naciones local. En un determinado momento, de un total de 80 empleados, 20 éramos de diferentes países de 4 continentes.

Con estos antecedentes y a partir de la colaboración con organizaciones gubernamentales del Departamento de Defensa, además del gran grupo de compañías colaboradoras y comerciales de proveedores, la empresa se involucró rápidamente en el desarrollo y la fabricación de sistemas únicos y especiales de medición de conductividad térmica y otros instrumentos relacionados, que incluyen calor específico y emisión para aplicaciones de altas temperaturas. Estas incluyeron, por ejemplo, diseños de métodos de placa caliente protegida y de conductividad térmica comparativa para temperaturas de 1300 Kelvin y un calorímetro adiabático para mediciones térmicas específicas de 800 Kelvin.

Pronto se hizo evidente que el mercado para estos grandes sistemas de investigación especial se limitaba a satisfacer únicamente las necesidades de los grandes departamentos gubernamentales y sus principales empresas aeroespaciales y otras similares. Del mismo modo, también se puso de manifiesto la necesidad significativamente mayor de contar con una fuente confiable que pudiera proveer mediciones certeras a las compañías de servicio y abastecimiento más pequeñas.

Al cabo de un año desde mi llegada, se abrió un creciente servicio de Laboratorio de Medición para todo tipo de clientes, desde aquellos que necesitaban gran cantidad de mediciones para un importante proyecto espacial o proyectos de defensa, hasta quienes solo requerían un único análisis para una empresa de aislación térmica local. Además, las instalaciones y capacidades se destinaron a brindar respaldo al grupo de instrumentos para promover su desarrollo y avance de los nuevos y mejorados sistemas de medición.

El laboratorio inició sus tareas en base a instrumentos necesarios, entre ellos modelos de prototipos creados internamente, por ejemplo, un equipo comparador de alta temperatura (>1200K) de placa caliente y plana protegida junto con un dilatómetro y un calorímetro adiabático. Rápidamente se los complementó con sistemas con capacidades de vacío y presión para abordar los requisitos especiales cada vez más exigentes, junto con el crecimiento del personal, que se cuadriplicó. Los temas de los estudios de medición fueron cuantiosos y variados. En un momento, se pasaba de la medición de las propiedades térmicas de alta temperatura de los compuestos de carbono-carbono, que se empleaban para la nariz y el borde de ataque de los cohetes espaciales, la medición de las propiedades de temperatura criogénica de la madera balsa, utilizada para aislar los tanques de gas natural licuado de los buques cisterna de GNL, a un único ensayo de polímeros rellenos de compuestos empleados como disipadores de calor en sistemas de computadoras.

En los estudios de algunos de los proyectos “más importantes”, en los que se realizaban muchas mediciones o se involucraban muchos materiales, y en los que la temática podía publicarse o no era comercialmente confidencial, se le sugería al cliente realizar una publicación conjunta de un artículo académico sobre los resultados. Mediante este abordaje, se pudieron publicar más de 30 artículos académicos en la literatura científica sobre diversos temas. En su mayoría, no solo contaban con buena información técnica, sino que también mostraban resultados interesantes que además proporcionaban información comercial confiable sobre los instrumentos. Espero poder abordar algunos de estos resultados en blogs futuros.

En la conferencia del NPL que mencioné anteriormente en el blog, y en el resultante documento de dos volúmenes sobre conductividad térmica que me encargué de editar, se abordó el tema de los diferentes métodos transitorios tanto para sólidos como para líquidos. Ambos incluyeron lo que se podría describir como una referencia “muy breve” a la existencia de una nueva y prometedora técnica denominada “método flash” para medir la difusividad térmica, desarrollada a mediados de la década de 1960 por Bill Parker y sus colegas. Cinco o seis años más tarde, este interés llegó a su punto máximo y se convirtió en lo que considero el primero de dos de los acontecimientos más significativos que contribuyeron a “un cambio de paradigma”, es decir, un avance científico a lo largo de extensos períodos de estabilidad relativa, interrumpidos por una revolución tras la cual nada ha sido igual, para dar inicio a una nueva era de mediciones de propiedades térmicas.

Esta rápida y dinámica técnica transitoria, de solo unos segundos, que utiliza especímenes para discos pequeños de 10 a 20 mm de diámetro, generalmente de menos de 5 mm de espesor con superficies negras, ahora denominada “flash de láser”, debido al uso universal del láser como fuente de alimentación, parece haber sido la respuesta milagrosa de una técnica “ideal”. Se realizó la verificación inicial utilizando los materiales de referencia metálicos existentes, comparando los valores conocidos con los valores de conductividad derivados de la medición de la difusividad, utilizando la densidad y los valores de calor específico aceptados en la literatura científica.

En el caso de los materiales en los que la principal transmisión térmica es el modo de conducción sólida, el método es relativamente simple y ha demostrado una incertidumbre de +/- 4 %, en un amplio rango de temperatura de más de 1300 Kelvin. Sin embargo, esto solo puede lograrse al utilizar las correcciones y los análisis de datos desarrollados posteriormente, y al evaluar la comparación de las técnicas y los análisis individuales. Si bien varias comparaciones individuales con métodos consistentes han señalado que existe una coincidencia aceptable entre los valores medidos y los derivados, en muchas ocasiones, los resultados para un material en particular no han coincidido, debido no solo a la exactitud de la prueba sino más bien a la incertidumbre del calor específico utilizado.

En definitiva, el método se volvió tan popular que se lo utilizó “en exceso” o erróneamente, por ejemplo, en aquellos materiales con modos de transmisión térmica gaseosa y/o radiativa considerable. Además, el tamaño pequeño del espécimen no limita su uso a materiales inhomogéneos de menor conductividad térmica y, en especial, materiales de aislación térmica y otros similares, que requieren de especímenes más grandes para considerarlos representativos del material.

El segundo acontecimiento que contribuye a este cambio significativo de paradigma ha sido el desarrollo de la técnica de medición a través del medidor de flujo de calor que se utiliza para aislaciones térmicas. Este desarrollo fue promovido por las necesidades acuciantes de la industria de la aislación térmica para abordar los problemas que surgían como resultado de las dos crisis energéticas de principios de la década de 1970. Se necesitaba una técnica rápida que suministrara valores confiables (+/-3 % a 4 %) de la resistencia térmica de los productos aislantes utilizados en las edificaciones. Dicha especificación era necesaria para cumplir con los requisitos de control de calidad y aseguramiento del rendimiento de la industria y, aún más importante, con los organismos regulatorios que comenzaban a involucrarse en la preservación de la energía.

Este método simple en cuanto a su concepto y funcionamiento puede describirse como una modificación de la placa caliente protegida en la que la medición absoluta del flujo de calor se reemplaza por un procedimiento de calibración que consiste en uno o más transductores de flujo de calor y uno o más materiales de referencia. Se propuso por primera vez a fines de la década de 1950 y Pelanne y Bradley de Johns Manville Company recomendaron su uso como herramienta industrial. Rápidamente, después de que Dynatech I/D le incorporara mejoras con tecnología adicional moderna para su uso comercial, se convirtió en una herramienta invaluable para satisfacer los exigentes requisitos de los aislantes térmicos.

Además de la velocidad de medición (decenas de minutos en lugar de horas), los bajos costos iniciales y de uso, la verdadera ventaja es que el instrumento cuenta con “auto-protección”, siempre y cuando no se modifique el espesor (resistencia térmica) de los especímenes de prueba y calibración. Sin embargo, han surgido reclamos del orden del 1 % en algunos otros sistemas comerciales, a pesar de la imprecisión del material de referencia suministrado por los laboratorios nacionales, cuyo nivel óptimo es de +/- 2 %.

No es exagerado sostener que la introducción de este método ha “revolucionado la medición de las aislaciones”. Rápidamente se estableció la normalización nacional e internacional. Fue el primer método para la medición de las propiedades térmicas cuyo instrumento comercial se fabricó en cantidades. Muchos de los modelos originales han estado funcionando en laboratorios y plantas de empresas de producción y servicios en todo el mundo durante más de 30 años, lo que demuestra la importancia de operar con simplicidad.

Un factor importante que surgió al comienzo fue la necesidad técnica y económica de contar con un método de verificación de la confiabilidad del valor medido. Era necesario contar con un abordaje relativamente simple en términos del concepto y del funcionamiento, además de la velocidad de medición. El comercio nacional e internacional se expandió de tal manera que resultó necesario “nivelar el campo de juego”. Dichos requerimientos impulsaron la necesidad de contar con especificaciones definitivas para los materiales y el desarrollo de normas nacionales e internacionales para la realización de pruebas, además del suministro de materiales de referencia estándar con fines de verificación final. En consecuencia, se ha observado un aumento en la participación del desarrollo de las normas ASTM e ISO, con el objetivo de abarcar a los principales actores del mercado con mayor experiencia y de diversos países, a fin de elaborar regulaciones y normas adecuadas antes de que esta era llegue a su fin.

En conclusión, debo admitir que desde mi llegada a los Estados Unidos a comienzos de este período de cambios radicales hasta el momento en que partí, 28 años después, fui afortunado de haber podido presenciar este fenómeno casi de principio a fin. Tuve tantas oportunidades de reunirme, visitar, participar y trabajar con tantos expertos que logré especializarme en todo lo referente a la adecuada realización de las mediciones de las propiedades térmicas.