Tecnología de vacío

Tecnología de vacío

Tecnología de vacío, procesos y aparatos basados en el principio de que, cuando se reduce la cantidad de gas —por ejemplo, aire— en un recipiente cerrado, las moléculas y átomos que quedan, o cualquier partícula eléctricamente cargada derivada de las mismas, como iones o electrones, pueden moverse más libremente. Esta libertad de movimiento es proporcional a la reducción de la presión del gas.

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EVOLUCIÓN

Desde finales del siglo XIX se utilizan comúnmente vacíos bajos y medios en aparatos domésticos como termos o aspiradores. La destilación de aceites lubricantes a partir de residuos del petróleo y la extracción del oxígeno atmosférico de las bombillas o focos eléctricos también emplean tecnología de vacío. Antes de la II Guerra Mundial, las técnicas de alto vacío, que logran condiciones de vacío casi perfectas, se utilizaban sobre todo en los laboratorios de investigación, y también en la producción de tubos de vacío. Durante la guerra se perfeccionaron técnicas para recubrir lentes ópticas con capas muy finas de fluoruro de magnesio empleando alto vacío. Este proceso mejoraba la calidad óptica de las lentes al reducir la reflexión de la luz. Las técnicas de alto vacío también se utilizan en la destilación molecular de aceites de pescado para producir concentrado de vitamina A o en la separación electromagnética de uranio 235 del isótopo de uranio más pesado con el que está asociado en la naturaleza.

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APLICACIONES

Una de las aplicaciones recientes más importantes de la tecnología de vacío es la refrigeración industrial a gran escala. La velocidad de evaporación del agua se acelera en condiciones de vacío, y este proceso se emplea para la desecación por congelación de los alimentos (véase Procesado y conservación de los alimentos). La evaporación de metales en un alto vacío se emplea para recubrir plásticos y otros materiales con el fin de proporcionarles un brillo metálico intenso. Esta técnica surgió a partir del proceso de recubrimiento de lentes. La producción de tubos de televisión aumentó enormemente con la introducción de bombas de alto vacío de gran velocidad. El tratamiento por alto vacío de metales fundidos, colados o sinterizados mejora sus propiedades físicas al eliminar gases y otras impurezas. Los cristales de metales puros empleados en transistores y otros dispositivos electrónicos similares se “cultivan”, o preparan, en hornos de alto vacío. Los transformadores eléctricos y cables de alta tensión se impregnan en el vacío con un material altamente dieléctrico para mejorar su aislamiento (véase Aislante). Las paredes de los recipientes y tuberías que almacenan o transportan oxígeno, nitrógeno o helio líquido, están rodeadas por un alto vacío para obtener el máximo aislamiento térmico. Las bases o sustratos empleados para la fabricación de microcircuitos electrónicos se cubren por bombardeo iónico con materiales refractarios como tántalo o volframio en condiciones de alto vacío.  

La tecnología de vacío es muy importante en la investigación científica y tecnológica. Los aceleradores de partículas dependen de vacíos muy altos para proporcionar a las partículas una trayectoria relativamente libre de gases. Para probar equipos aeroespaciales en condiciones que simulen las del espacio se emplean grandes cámaras de vacío, a veces de miles de metros cúbicos, lo que exige una gran velocidad de bombeo para la extracción de gas. En algunos tipos de análisis químico, en los que el material que se quiere analizar debe hallarse en estado gaseoso o en forma de iones, cargados eléctricamente, es necesario un vacío para alcanzar estas condiciones. Algunos de los instrumentos empleados para estos análisis son el espectrómetro de masas, el microscopio electrónico o los analizadores de fusión en vacío y de resonancia magnética nuclear. Constantemente se descubren nuevas aplicaciones de la tecnología de vacío.

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FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS

Figura 1: sistema de vacío

Las aplicaciones de la tecnología de vacío van desde la aspiradora doméstica hasta los aceleradores de partículas de alta energía. Un sistema de vacío típico está formado por una cámara de trabajo, bombas de vacío y accesorios. La cámara de trabajo es un recipiente hermético, como una campana de vidrio. Primero, la presión de la cámara de trabajo se reduce desde la presión atmosférica hasta unos 10-4 bares con una bomba mecánica. Después se reduce aún más con una bomba de difusión. Los accesorios incluyen manómetros de vacío, sistemas eléctricos de control y tubos. Se pueden lograr presiones de sólo 10-15 bares empleando bombas de turbina especiales y desviadores criogénicos para impedir que los gases vuelvan a la cámara. Para medir presiones tan bajas son necesarias técnicas especiales.

Un sistema práctico de vacío suele componerse de tres partes: la cámara de trabajo, las bombas de vacío y los equipos accesorios como el control eléctrico o las tuberías. Un sistema de vacío sencillo se muestra en la figura 1. Para que el equipo funcione, la cámara de trabajo, con su manómetro de vacío, está unida de forma hermética al extremo de la bomba. Cuando se cierran las válvulas de alto vacío y de primer vacío y se abre la válvula de presión preliminar, arrancan las bombas mecánica y de difusión. Cuando comienza a funcionar la bomba de difusión, se aísla del resto del sistema cerrando la válvula de presión preliminar. A continuación se vacía la cámara de trabajo, sólo mediante la bomba mecánica. Para ello se cierra la válvula de entrada de aire y se abre la válvula de primer vacío. La presión en la cámara de trabajo se reduce hasta aproximadamente 0,1 milibares (1 bar corresponde a 100.000 pascales y equivale a unos 750 mm de mercurio, algo menos que la presión atmosférica normal). A continuación, la cámara se comunica con la bomba de difusión cerrando la válvula de primer vacío y abriendo posteriormente las válvulas de presión preliminar y alto vacío. En ese momento, la cámara de trabajo está lista para ser sometida al alto vacío. Esta cámara es un recipiente estanco con uno o más puntos de acceso al interior. Para operaciones sencillas se emplea frecuentemente como cámara de trabajo una campana de vidrio protegida por un armazón metálico o una campana de acero. La cámara está dotada de conexiones estancas para accesorios como visores, dispositivos para realizar movimientos mecánicos en el vacío o terminales eléctricos.

Figura 2: bomba de vacío rotativa

Esta bomba rotativa sellada por aceite se emplea para extraer el gas de un recipiente. El gas penetra por la entrada, y un cilindro excéntrico llamado rotor expulsa el gas por la válvula de descarga. La paleta divide el espacio entre la entrada y la salida y reduce el volumen al girar el rotor para comprimir el gas antes de expulsarlo.

Un primer tipo de bomba de vacío era semejante a una máquina de vapor. En la actualidad, esta bomba ha sido sustituida en las aplicaciones de vacío por la bomba rotativa sellada por aceite (figura 2) y la bomba de eyección (figura 3). En la bomba rotativa, un cilindro excéntrico llamado rotor gira dentro de una carcasa cilíndrica hueca. Una paleta de movimiento alternativo montada en la carcasa y en contacto continuo con el rotor actúa como sello entre la entrada y la salida. Todo el interior está lleno de un aceite de sellado con baja presión de vapor. Las bombas de eyección se basan en el principio de que un líquido o gas a presión, al pasar por una tobera formando un chorro, arrastra las moléculas de gas de la cámara de mezcla y las expulsa de ésta, con lo que produce un vacío. Si el fluido en movimiento es agua, el dispositivo se denomina aspirador o condensador barométrico; si es vapor de agua, se denomina eyector de vapor. La bomba de difusión funciona según un principio similar, pero emplea el vapor de un líquido de muy baja presión de vapor, por ejemplo mercurio o fluidos orgánicos especialmente seleccionados. El vapor se recicla condensándolo y volviendo a evaporar el líquido de condensación. Algunos otros tipos de bombas de vacío son los siguientes: las bombas iónicas (empleadas cuando son esenciales condiciones secas libres de vapor), que funcionan ionizando las moléculas de gas y atrapándolas en placas colectoras eléctricamente cargadas; las bombas químico-iónicas, que se basan en la reacción con el gas de los vapores de un metal como el titanio y su posterior condensación en las paredes de la carcasa de la bomba; las bombas de adsorción, que extraen los gases adsorbiéndolos y absorbiéndolos mediante ceolita artificial, el llamado “colador molecular”. El bombeo criogénico se logra condensando gases en superficies mantenidas a temperaturas extremadamente bajas (véase Criogenia).

Figura 3: bomba de eyección

La bomba de eyección es un tipo de bomba de vacío, que extrae el gas de un recipiente haciendo pasar agua o vapor de agua a gran velocidad a través de una cámara conectada con el recipiente. La cámara de mezcla contiene gas del recipiente y agua o vapor de agua. En la entrada, la bomba de eyección se conecta al recipiente en el que se quiere hacer el vacío.

Las bombas, válvulas, secuencias de operación y sistemas de enclavamiento de seguridad para el funcionamiento de la cámara de trabajo se controlan mediante componentes eléctricos situados en la misma máquina o cerca de ella. Los controles pueden ser manuales o automáticos. Frecuentemente se emplean desviadores y separadores en las tuberías de vacío para impedir el desplazamiento no deseado de moléculas desde las bombas hasta la cámara de trabajo o viceversa. Los desviadores pueden funcionar a temperatura ambiente o enfriarse mediante hielo seco o nitrógeno líquido, con lo que las moléculas de gas se condensan en su superficie o son absorbidas por ella. Otros componentes de los sistemas de vacío son las válvulas, las tuberías y las conexiones entre tuberías, diseñadas para impedir la entrada de gas desde el exterior.

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MEDIDA DEL VACÍO

Los dispositivos empleados para medir las condiciones de vacío se denominan manómetros, e indican la presión absoluta. El manómetro de mercurio mide presiones que van desde la atmosférica hasta 1 milibar aproximadamente. Una variante, el manómetro de McLeod, extiende el rango de medida hasta una millonésima de milibar. Dos manómetros mecánicos cubren el mismo rango que el manómetro de mercurio: uno de ellos funciona con un tubo de Bourdon (tubo curvo que se deforma más o menos según la presión) y el otro con un diafragma. A veces indican el “nivel de vacío” en vez de la presión absoluta. El vacío de tipo medio se mide con manómetros de termopar o manómetros Pirani. Ambos se basan en el principio de que la conductividad térmica de un gas es proporcional al número de moléculas que quedan, es decir, a la presión. Su rango de medidas va aproximadamente de una milésima de milibar a 1 milibar. El manómetro de ionización radiactiva responde entre una milésima de milibar y la presión atmosférica. Los vacíos altos y muy altos se miden a partir de la carga eléctrica de un gas ionizado por bombardeo de electrones. Dos manómetros que emplean este principio son el termoiónico, llamado también de cátodo caliente, y el de descarga luminiscente, o de cátodo frío. El primero cubre un rango que va de 10^-4 a 10^-14 bares, y el segundo un rango de 10^-5 a 10^-10 bares. Cuando se entra en la zona de vacíos ultraaltos, la medida se hace cada vez más difícil. Es posible medir presiones de 10^-15 bares y menores mediante técnicas de análisis espectrométrico de masas especialmente diseñadas. Todos los manómetros que dependen de la conductividad térmica o la ionización de un gas para la medida de presiones responden de forma distinta según el gas, por lo que suelen calibrarse con aire seco empleando el manómetro de McLeod como referencia.