Ingeniería de vacío

La ingeniería del vacío es el campo de la ingeniería que se ocupa del uso práctico del vacío en aplicaciones industriales y científicas. El vacío puede mejorar la productividad y el rendimiento de procesos que de otro modo se llevarían a cabo a presión atmosférica normal, o puede posibilitar procesos que no podrían realizarse en presencia de aire. Las técnicas de ingeniería del vacío se aplican ampliamente en el procesamiento de materiales, como el secado o la filtración, el procesamiento químico, la aplicación de recubrimientos metálicos a objetos, la fabricación de dispositivos electrónicos y lámparas incandescentes, y la investigación científica. Avances clave en la ciencia moderna tienen su origen en la explotación de la ingeniería del vacío, ya sea el descubrimiento de la física fundamental mediante aceleradores de partículas (para lo cual es necesario evacuar el espacio donde colisionan las partículas elementales), los equipos analíticos avanzados utilizados para estudiar las propiedades físicas de los materiales o las cámaras de vacío en las que se colocan sistemas criogénicos para ejecutar operaciones en cúbits de estado sólido para la computación cuántica. La ingeniería del vacío también tiene una profunda influencia en la tecnología de fabricación.

Las técnicas de vacío varían según la presión de vacío deseada. Para un vacío "aproximado", superior a 100 pascales, se pueden utilizar métodos de análisis, materiales, bombas e instrumentos de medición convencionales, mientras que los sistemas de ultra alto vacío emplean equipos especializados para alcanzar presiones inferiores a una millonésima de pascal. A presiones tan bajas, incluso los metales pueden emitir suficiente gas como para causar una contaminación grave.

Los sistemas de vacío suelen constar de manómetros, inyectores de vapor y bombas, trampas de vapor y válvulas, además de otras tuberías de extensión. Un recipiente que opera bajo un sistema de vacío puede ser de cualquiera de estos tipos, como un tanque de procesamiento, un simulador de vapor, un acelerador de partículas o cualquier otro tipo de espacio que tenga una cámara cerrada para mantener el sistema a una presión de gas inferior a la atmosférica. Dado que el vacío se crea en una cámara cerrada, la consideración de la capacidad de soportar la presión atmosférica externa es una precaución habitual para este tipo de diseño. Además del efecto de pandeo o colapso, la carcasa exterior de la cámara de vacío se evaluará cuidadosamente y cualquier signo de deterioro se corregirá aumentando el espesor de la misma. Los principales materiales utilizados para el diseño de vacío suelen ser acero dulce, acero inoxidable y aluminio. Otros elementos, como el vidrio, se utilizan para los indicadores de nivel, las mirillas y, a veces, el aislamiento eléctrico. El interior de la cámara de vacío siempre debe ser liso y estar libre de óxido y defectos. Generalmente se utilizan disolventes a alta presión para eliminar el exceso de aceite y los contaminantes que puedan afectar negativamente al vacío. Debido a que una cámara de vacío se encuentra en un espacio cerrado, solo se pueden usar detergentes muy específicos para prevenir cualquier riesgo o peligro durante la limpieza. Toda cámara de vacío debe tener un número determinado de puertos de acceso y visualización. Estos suelen ser conexiones de brida para la fijación de bombas, tuberías o cualquier otra pieza necesaria para el funcionamiento del sistema. El diseño de la capacidad de sellado de la cámara de vacío es de suma importancia. La cámara en sí debe ser hermética para mantener un vacío perfecto. Esto se garantiza mediante el proceso de detección de fugas, generalmente utilizando un detector de fugas de espectrometría de masas. ^{[ 1 ]} Todas las aberturas y conexiones también se ensamblan con juntas tóricas y empaquetaduras para evitar cualquier posible fuga de aire en el sistema.

La ingeniería de vacío emplea técnicas y equipos que varían según el nivel de vacío utilizado. Se puede emplear una presión ligeramente inferior a la atmosférica para controlar el flujo de aire en sistemas de ventilación o de manipulación de materiales. Los vacíos de menor presión se utilizan en la evaporación al vacío para el procesamiento de alimentos sin calentamiento excesivo. Los vacíos de mayor grado se emplean en la desgasificación, la metalurgia al vacío y la producción de bombillas y tubos de rayos catódicos. Se requieren vacíos ultraaltos para ciertos procesos de semiconductores; los vacíos más extremos, con la menor presión, se generan para experimentos de física, donde incluso unos pocos átomos de aire interferirían con el experimento en curso.

El equipo utilizado varía según la presión decreciente. Los sopladores dan paso a diversos tipos de bombas recíprocas y rotativas. Para algunas aplicaciones importantes, un eyector de vapor puede evacuar rápidamente un gran recipiente de proceso hasta alcanzar un vacío preliminar, suficiente para ciertos procesos o como paso previo a procesos de bombeo más completos. La invención de la bomba Sprengel fue un paso crucial en el desarrollo de la bombilla incandescente, ya que permitió crear un vacío superior al disponible anteriormente, lo que prolongó la vida útil de las bombillas. A niveles de vacío más altos (presiones más bajas), se utilizan bombas de difusión, de absorción y criogénicas. Las bombas se asemejan más a compresores, ya que recogen los gases enrarecidos en el recipiente de vacío y los impulsan hacia un escape de menor volumen y mayor presión. En un sistema de vacío se puede utilizar una cadena de dos o más bombas de vacío diferentes, donde una bomba de vacío preliminar elimina la mayor parte del aire del sistema, y ​​las etapas adicionales manejan cantidades relativamente menores de aire a presiones cada vez más bajas. En algunas aplicaciones, se utiliza un elemento químico para combinarse con el aire que queda en un recinto tras el bombeo. Por ejemplo, en los tubos de vacío electrónicos , un absorbedor metálico se calentaba por inducción para eliminar el aire restante tras el bombeo inicial y el cierre de los tubos. Este absorbedor también eliminaba gradualmente cualquier gas que se generara dentro del tubo durante el resto de su vida útil, manteniendo así un vacío suficientemente bueno.

La tecnología de vacío es un método utilizado para evacuar el aire de un volumen cerrado mediante la creación de un diferencial de presión entre dicho volumen y una salida, siendo la atmósfera exterior la salida final. ^{[ 2 ]} Al utilizar un sistema de vacío industrial, una bomba o generador de vacío crea este diferencial de presión. Diversos inventos técnicos se crearon a partir del concepto de vacío descubierto durante el siglo XVII. Estos abarcan desde bombas generadoras de vacío hasta tubos de rayos X, que posteriormente se introdujeron en el campo de la medicina como fuentes de radiación de rayos X. El entorno de vacío ha adquirido una gran importancia en la investigación científica, ya que se realizan nuevos descubrimientos al retomar los fundamentos de la presión. Si bien la idea de un "vacío perfecto" no se puede alcanzar, los descubrimientos tecnológicos de principios del siglo XX se aproximan bastante. La ingeniería de vacío actual utiliza una amplia gama de materiales, desde aluminio hasta circonio y prácticamente cualquier otro material intermedio. Aunque existe la creencia popular de que la tecnología de vacío se limita a válvulas, bridas y otros componentes, a menudo se realizan nuevos descubrimientos científicos con la ayuda de estas tecnologías de vacío tradicionales, especialmente en el ámbito de la alta tecnología. La ingeniería de vacío se utiliza para semiconductores compuestos , dispositivos de potencia, lógica de memoria y energía fotovoltaica .

Otro invento técnico es la bomba de vacío. Este invento se utiliza para extraer moléculas de gas de un volumen sellado, creando así un vacío parcial. En una misma aplicación, se utilizan varias bombas de vacío para generar un flujo continuo. Este flujo continuo permite que el vacío elimine las moléculas de aire que obstaculizan el proceso. El vacío se utiliza en este proceso para intentar crear un vacío perfecto. Un tipo de vacío, como el vacío parcial, puede generarse mediante el uso de bombas de desplazamiento positivo . Una bomba de desplazamiento positivo puede transferir la carga de gas desde la entrada hasta la salida, pero debido a su limitación de diseño, solo puede alcanzar un vacío relativamente bajo. Para lograr un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas. El uso de una serie de bombas, como por ejemplo, una bomba de desplazamiento positivo seguida de una bomba de vacío rápido, crea un vacío mucho mejor que el uso de una sola bomba. La combinación de bombas utilizada suele estar determinada por la necesidad de vacío del sistema.

Los materiales para su uso en sistemas de vacío deben evaluarse cuidadosamente. ^{[ 3 ]} Muchos materiales tienen cierto grado de porosidad que, si bien no es importante a presiones normales, permitiría la entrada continua de pequeñas cantidades de aire a un sistema de vacío si se usaran incorrectamente. Algunos elementos, como el caucho y el plástico, desprenden gases al vacío que pueden contaminar el sistema. A niveles de vacío alto y ultraalto, incluso los metales deben seleccionarse cuidadosamente: las moléculas de aire y la humedad pueden adherirse a la superficie de los metales, y cualquier gas atrapado en el metal puede filtrarse a la superficie bajo vacío. En algunos sistemas de vacío, una simple capa de grasa de baja volatilidad es suficiente para sellar huecos en las juntas, pero a ultraalto vacío, los accesorios deben mecanizarse y pulirse cuidadosamente para minimizar el gas atrapado. Es práctica habitual hornear los componentes de un sistema de alto vacío; a altas temperaturas, cualquier gas o humedad adherida a la superficie se elimina. Sin embargo, este requisito afecta a los materiales que se pueden utilizar. Para aplicaciones de baja presión, es posible procesar incluso plástico impreso en 3D para fabricar sistemas de vacío. ^{[ 4 ]}

Los aceleradores de partículas son los sistemas de ultra alto vacío más grandes y pueden tener hasta kilómetros de longitud. ^{[ 5 ]}

Los sistemas de vacío se han estudiado durante mucho tiempo, por lo que las propiedades de los materiales básicos utilizados en los tubos de vacío ( carbono , cerámica , cobre , vidrio , grafito , hierro , mica , níquel , metales preciosos , metales refractarios , acero y todas las aleaciones relevantes ) se comprenden bien, incluidas sus técnicas de unión y cómo abordar problemas comunes como la emisión secundaria y la ruptura de voltaje. ^{[ 6 ]}

La palabra «vacío» proviene del latín «vacua», que significa «vacío». Los físicos utilizan el término vacío para describir un espacio vacío, del cual se ha extraído aire u otros gases de un recipiente. La idea del vacío en relación con el espacio vacío se especuló ya en el siglo V a. C. por los filósofos griegos. Aristóteles (384-322 a. C.) concibió el vacío como un espacio vacío que en la naturaleza sería imposible de crear. ^{[ 7 ]} Esta idea persistió hasta el siglo XVII, cuando se descubrió la tecnología y la física del vacío. A mediados del siglo XVII, Evangelista Torricelli estudió las propiedades del vacío generado por una columna de mercurio en un tubo de vidrio; esto se convirtió en el barómetro , un instrumento para observar las variaciones en la presión atmosférica. Otto von Guericke demostró de forma espectacular el efecto de la presión atmosférica en 1654, cuando equipos de caballos no pudieron separar dos hemisferios de 20 pulgadas de diámetro, que habían sido colocados juntos y sometidos a vacío. En 1698, Thomas Savery patentó una bomba de vapor que, mediante la condensación del vapor, producía un vacío de baja intensidad para bombear agua de las minas. Este aparato se perfeccionó en la máquina atmosférica de Newcomen de 1712. Si bien era ineficiente, permitió el funcionamiento de minas de carbón que, de otro modo, se inundarían por el agua subterránea. Entre 1564 y 1642, Galileo fue uno de los primeros físicos en realizar experimentos para desarrollar fuerzas medibles que crearan vacío mediante un pistón en un cilindro. Este fue un descubrimiento significativo para la ciencia y fue compartido con otros. El científico y filósofo francés Blaise Pascal utilizó la idea para profundizar en la investigación del vacío. Los descubrimientos de Pascal fueron similares a los de Torricelli, ya que Pascal empleó métodos parecidos para generar vacío con mercurio. En 1661, el alcalde de Magdeburgo aprovechó este descubrimiento para inventar o adaptar nuevas ideas. El alcalde Otto von Guericke creó la primera bomba de aire, modificó bombas de agua y también manómetros. La ingeniería de vacío moderna ofrece soluciones para las necesidades de películas delgadas en la industria mecánica. Esta ingeniería se utiliza para necesidades de investigación y desarrollo o para la producción de materiales a gran escala.

Se utilizó el vacío para propulsar trenes de forma experimental.

La tecnología de bombeo se estancó hasta mediados del siglo XIX, cuando Geissler y Sprengle facilitaron el acceso al régimen de alto vacío. Esto condujo al estudio de las descargas eléctricas en el vacío, al descubrimiento de los rayos catódicos, a los rayos X y al descubrimiento del electrón. El efecto fotoeléctrico se observó en alto vacío, un descubrimiento clave que sentó las bases de la mecánica cuántica y de gran parte de la física moderna.