El camarón pistola: un diminuto ingeniero que inspira nuevas formas de purificar el agua

México.- Diversos procesos que se viven en la naturaleza han inspirado la creación de instrumentos que pueden ser empleados en distintas aplicaciones. Tal es el caso del camarón Pistola, un crustáceo cuya pinza especializada abre y cierra súbitamente; con este rápido movimiento provoca que un chorro de agua salga disparado a gran velocidad cuando quiere aturdir a su presa.

Para el camarón esto es parte de su comportamiento y sobrevivencia, sin saber que en ese rápido movimiento está generando cavitación, es decir, ese mecanismo que permite que se formen burbujas dentro del agua, que llevan gas en su interior y que colapsan abruptamente.

¿Por qué se genera la cavitación? Cuando el chorro sale disparado, la presión local del agua disminuye y se genera una burbuja o cavidad, la cual colapsa violentamente cuando siente la presión ambiente.

El doctor Francisco Antonio Godínez Rojano, del Instituto de Ingeniería, se ha interesado en la cavitación en busca de aplicaciones en procesos de corrosión, purificación de agua y añejamiento del vino.

Un dispositivo que produce cavitación

En 2001, un grupo de investigadores alemanes y holandeses estudiaron el comportamiento del camarón Pistola y se dieron cuenta que en el proceso de cierre de la pinza se produce esta burbuja, la cual captaron con una cámara de alta velocidad. También detectaron las ondas de choque y calcularon que la temperatura en el interior de estas burbujas alcanza los 5,000 grados Kelvin. Además, por tener estas altas presiones y temperaturas, los gases en el interior de la burbuja forman un plasma y se produce la emisión de luz (fotones).

Con ese antecedente, para 2018 el doctor Francisco Godínez Rojano creó un dispositivo que le permitió generar cavitación de forma controlada, a través de un proceso mecánico. Construyó un dispositivo en acrílico que consta de una pinza móvil, una pinza fija, ligas y un gatillo.

El sistema se coloca dentro de un tanque con agua y se activa de forma manual al jalar el gatillo que está en uno de sus extremos. Entonces, la pinza móvil choca súbitamente contra la fija (simulando el cierre de la pinza como lo hace el camarón Pistola), sale un chorro de agua a alta velocidad y genera la cavitación.

El concepto propuesto plantea que, al cerrarse súbitamente las pinzas del dispositivo, se forma una especie de tubo Venturi, con un extremo cerrado y otro abierto por donde se expulsa el chorro de líquido. Este canal transitorio, generado en el espacio entre ambas pinzas (móvil y fija), presenta una geometría convergente-divergente, es decir, en un extremo es más ancho, tiene una sección angosta o “garganta” en el centro y una salida abierta.

A partir de esta configuración, el investigador modificó la geometría del perfil Venturi, en particular la longitud de la garganta, alargando o acortando esta sección. Estos cambios permitieron observar cómo la variación en la forma del canal influye en la velocidad del flujo y en la generación de distintos patrones de cavitación.

“No éramos los primeros en fabricar un dispositivo artificial para producir chorros, pero tal vez sí en producir cavitación con una geometría de este estilo. Además, aquí lo atractivo es que finalmente generamos cavitación hidrodinámica, pero por un proceso mecánico puramente, tenemos resortes, barras, todo es mecánico, no utilizamos láseres, ni fuentes de ultrasonido”.

El cierre súbito de la pinza del camarón pistola produce un chorro de agua cuya velocidad ronda los 25 metros por segundo, la velocidad del chorro del dispositivo creado por el doctor Francisco Godínez Rojano es de alrededor de 14 metros por segundo.

Aplicaciones cotidianas

Una de las primeras aplicaciones que tuvo este proceso de cavitación producido con las investigaciones del doctor Godínez Rojano estuvieron enfocadas en estudiar cómo este mecanismo genera condiciones muy agresivas para corroer materiales (como los metales).

“Las burbujas tienen mucho oxígeno y cuando colapsan cerca de superficies sólidas forman algo que se conoce como jet, literalmente es como agarrar un clavo y darle un martillazo cada que colapsa una burbuja cerca de una superficie, el efecto que tiene eso es arrancar pedacitos de material y acelerar el proceso de corrosión. Eso es una parte muy negativa que tiene la cavitación”.

El investigador explica que este efecto es muy conocido y nocivo para las propelas de los barcos, en donde el movimiento de éstas genera burbujas que al chocar con ellas las va dañando.

Para estudiar este proceso, utilizaron su dispositivo y, tras accionar manualmente la pinza 15 veces para inducir cavitación, el chorro de agua con burbujas fue proyectado contra una superficie pulida de acero con bajo contenido de carbono. Como resultado, se observó daño en el material: se generaron cráteres muy profundos asociados a estos jets, es decir, al colapso de las burbujas sobre la superficie del acero. En pocas horas es posible destruir un acero.

Uno de los objetivos del proyecto –que realizó en colaboración con profesores de la Facultad de Química de la UNAM– fue producir cavitación de manera controlada y estudiar sus efectos en los procesos de corrosión-erosión en superficies metálicas.

Otra de las aplicaciones que pudiera tener esta cavitación se encuentra la desinfección de agua, porque las ondas de choque que se producen cuando colapsan las burbujas en el medio fluido tiene efectos antibacteriales, es decir, son capaces de romper la pared celular de ciertas bacterias.

“Se sabe que las ondas de choque son útiles para matar cierto tipo de microorganismos, al producir un daño mecánico sobre las células o sobre el organismo, como tal, entonces se puede matar, aturdir o estresar a las bacterias y finalmente hacer que se reduzcan en número en un cuerpo de agua”.

El proyecto que lidera el doctor Godínez Rojano se enfoca en el estudio de la cavitación como método de desinfección, evaluando su eficacia en la eliminación de bacterias como Escherichia coli en aguas residuales.

¿Quieres mantenerte a tanto de todas las noticias hoy en Puebla? ¡Explora más en nuestro portal ahora mismo!

Fotos UNAM

mala