Las bellas fotografías Schlieren o estrioscopía de la NASA

La belleza de las imágenes Schlieren de la NASA

Schlieren-NASA-imagenImagina captar las ondas de presión atmosféricas que produce un avión T-38 de la NASA cuando vuela por delante del Sol. Pues ya ha ocurrido. Es la fotografía Schlieren o estrioscopía. Estas imágenes se obtienen aprovechando el desvío de los fotones solares causado por la variación de presión que produce el avión.

La NASA ha dado un paso más de cara al diseño de aeronaves. Los túneles de viento y las simulaciones son muy útiles. Sin embargo, cuando los aeroplanos pasan de transónicos a supersónicos se rompe la barrera del sonido y una onda de presión (shockwave) recorre su estructura generando tensiones considerables.

Si entendemos estas tensiones, podremos diseñar aviones supersónicos más seguros, que consuman menos combustible y que puedan quizá escapar del pozo gravitatorio terrestre en las siguientes generaciones. Para eso usamos tecnología basada en sombras chinescas de alta definición usando el Sol como fondo.

¿En qué consiste el ‘efecto schlieren’?

El ‘efecto Schlieren’ o estrioscopía no es nuevo. En 1864 el físico alemán August Toepler se puso a estudiar qué le pasaba al aire cuando un objeto circulaba a gran velocidad por él. Por ejemplo, objetos supersónicos. Robert Hooke, el físico que descubrió la ley de la elasticidad, también experimentó con este efecto. Colocando velas y una lente convexa pudo obtener imágenes increíbles como la de abajo.

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Lo que observamos en la fotografía son, en color, los cambios en la densidad del aire generados por la llama de una vela (que vemos encendida en la parte inferior). Como sabemos, el aire caliente se vuelve mucho menos denso que el aire frío. De ahí que el primero tienda a subir y el segundo a bajar, y que las velas ardan hacia arriba en lugar de quemar la cera.

En la imagen que abre el artículo, un T-38 de la NASA avanza en estado transónico por delante del Sol. Está superando la barrera del sonido para hacerse supersónico, justo en el momento en que la onda de choque arranca. Ha sido captado por un teleobjetivo a 12 kilómetros. Se aprecia cómo cambian las líneas de presión del aire alrededor del avión.

BOSCO II

Lo maravilloso es que para hacer la fotografía se ha usado el filtro de hidrógeno del sistema BOSCO II (por sus siglas en inglés, estrioscopía orientada al fondo utilizando objetos celestes). El fondo es nada menos que el Sol, que nos permite observar cómo se comprime el aire. Es como si hiciésemos una película en croma usando el planeta Venus por detrás en lugar de una lona verde.

El ‘efecto schlieren’ nos muestra cómo se comprime el aire

Salvo cuando nuestras ciudades se vuelven irrespirables, pensamos en el aire como un elemento carente de masa porque es transparente. Sin embargo, el aire es un fluido que se comprime y estira a medida que un objeto lo atraviesa. Un objeto a muy alta velocidad (como una bala) comprime el aire por delante y lo ‘estira’ (succiona) por detrás. Es el equivalente cinemático a una vela que reduce la densidad del aire calentándolo. El coche lo ‘aplasta’.

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Esto ocurre también con los coches o las avionetas. En la imagen superior, podemos ver las líneas de flujo del aire alrededor de un vehículo. Podemos compararlas con las líneas isobaras, que rodean al automóvil con caminos de igual presión.

Si alguna vez te has preguntado por qué unos mosquitos se chocan contra la luna delantera y otros no, estas líneas y el surf tienen la respuesta. El mosquito vuela en el aire como un surfista se mantiene sobre las olas. Debajo de la tabla del surfista la presión aumenta considerablemente y por encima de ella la presión disminuye lentamente. La superficie del agua forma una isobara a presión atmosférica.

La mayoría de los surfistas se mantienen a flote siempre sobre el agua, pero de tanto en tanto una ola traicionera de gran altura hace que se choquen contra ella. Si el mosquito tiene mucha masa, no le dará tiempo a avanzar por las isobaras como el surfista elegante, por lo que se estampará contra la luna con un sonoro ‘plof’. Si tiene poca, las isobaras lo lanzarán –mareado pero a salvo–, del mismo modo que algunas olas nos desplazan hacia arriba sin engullirnos.

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En 1990 la NASA realizó la fotografía de arriba lanzando humo rojo durante el aterrizaje de un avión agrícola. Se observa el mismo fenómeno que a veces vemos en las nubes. Por ejemplo, la tropopausa marca hasta dónde pueden llegar ciertos nubarrones, que parecen tener un suelo sólido donde se apoyan como lo hace el surfista sobre las olas. En la imagen vemos algunos contornos de isobaras realmente nítidos, pero para la NASA no es suficiente

Fotografías de la presión del aire en 3D

Cuando el T-38 de la NASA pasa por delante del Sol, el BOSCO II es capaz de detectar cómo gira la luz debido a la presión atmosférica. Tal es su resolución. Sabemos que cuando los fotones cambian de medio también cambian de dirección, como con el efecto óptico de la cuchara ‘partida’ dentro del vaso de agua. También sabemos que los fotones alteran su dirección cuando el medio se encuentra a diferentes presiones.

Algunos fotones llegan directos del Sol, mientras que otros curvan ligeramente su trayectoria debido a la presión que el avión T-38 genera mientras cruza el aire a toda velocidad. Gracias a estos fotones y al BOSCO II, somos capaces de apreciar esas variaciones de presión a gran distancia. Y con ello mejorar el diseño de los aviones.

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En cierto sentido se parece a observar cómo se forman las olas alrededor de un barco para diseñar mejores cascarones. Con la salvedad de que el avión se mueve en un gradiente tridimensional y el barco navega sobre una onda de presión muy estable entre agua y aire.

Lo ideal para los aviones es que no haya un punto de la ola demasiado elevado. Eso significa que la nave pierde mucha energía en su avance. Observando los puntos de mayor presión atmosférica junto a los T-38, la NASA puede proponer mejoras futuras.

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Lo que parece una imagen térmica es un estudio dinámico del avance del avión a través de la atmósfera. Por su belleza resulta impactante, pero por su utilidad es maravillosa. La estrioscopía promete ser el futuro análogo a los túneles de viento.

Estos nos han ayudado a diseñar todo tipo de sistemas de transporte y piezas de los mismos. Por ejemplo, los álabes de las turbinas de los aviones. Las imágenes del ‘efecto Schlieren’ son ‘solo’ fotografías, pero pueden estar abriendo la puerta al transporte del futuro.

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Imágenes | NASA T-38, Settles1 (CC BY 3.0), NASA / Lauren Hughes, Cj73 (CC BY-SA 3.0), NASA Langley Research Center (NASA-LaRC), Adam Azim, NASA