Como ingeniero mecánico, una de mis más grandes curiosidades cientifico-ingenieriles es la ciencia de los fluidos, y por supuesto, más aún si están aplicados a tecnología aeroespacial. Y es que en esta rama de la ciencia, las cosas no solo son súper interesantes y matemáticamente rigurosas, sino que también hay muchísima belleza. En este artículo quiero hablarles de un fenómeno que no solo me parece muy interesante, sino también muy atractivo visualmente. Los diamantes de Mach, que además tienen un nombre muy cool.

No cabe duda de que muchos de nosotros hemos visto este luminoso patrón de diamantes en los gases de escape de algunas aeronaves y cohetes, y es que parecen salidos de películas de ciencia ficción; simplemente hacen que los cohetes y aeronaves se vean muy cool. Por otro lado, pocas personas nos preguntamos lo que este fenómeno realmente es. En este artículo intentaré explicarlo de una manera sencilla, no obstante es un tema bastante complejo que requerirá de toda tu atención.

Empezamos por como es que funcionan los sistemas de propulsión a chorro que tienen los cohetes y aeronaves. El objetivo es obtener un chorro de algún fluido a velocidades muy altas de tal manera que, gracias a la 3ra ley de Newton, nuestro vehículo pueda ser empujado y poder así moverse. Esto es completamente análogo a lo que pasa cuando inflamos un globo y enseguida lo liberamos, el gas que introducimos al globo al inflarlo sale a una alta velocidad y este chorro de aire hace que el globo se mueva por todos lados. Así que sí… ¡puedes crear un sistema de propulsión a chorro en tu casa con un simple globo!

En resumen, gracias a reacciones de combustión podemos obtener chorros de gases a muy altas velocidades responsables de la propulsión de vehículos aeroespaciales. Las velocidades de estos chorros pueden variar mucho, pero las cosas se ponen muy interesantes cuando se alcanzan velocidades supersónicas. Es decir, ¡el chorro sale del motor a una velocidad mayor a la velocidad del sonido! Los ingenieros y científicos miden la velocidad del chorro con respecto a la velocidad del sonido con ayuda de un parámetro conocido como número de Mach. Ahora ya te puedes imaginar porque se les llama diamantes de Mach… ¡Estos solo aparecen cuando el chorro llega al régimen supersónico!

Pero antes, es necesario que te explique una cosa más para que puedas entender mejor. Si has prestado un poco de atención, sabes que el aire en nuestra atmósfera tiene una presión específica; y resulta que el chorro de gases de los vehículos aeroespaciales, además de tener una cierta velocidad y una cierta temperatura, también tiene su propia presión. Dependiendo de la presión a la que estos gases son expulsados, se pueden tener diferencias en la eficiencia del motor y, ¡adivinaste! la formación de diamantes de Mach.

Bien, ahora tenemos lo suficiente para entender a grandes rasgos como es que estos diamantes o discos de Mach se forman. Los diamantes de Mach aparecen solamente cuando se trabaja con un chorro sobreexpandido, es decir, que la presión del chorro es menor a la presión atmosférica. Cuando el chorro sale de la tobera, este tiene una presión menor que la del aire que lo rodea provocando que la atmósfera comprima o apachurre el chorro de gases. Esta compresión puede llegar a ser significativamente grande, de modo que al aumentar la presión en el chorro, también puede aumentar su temperatura a tal punto que se genere una nueva reacción de combustión entre los productos no quemados previamente. ¿A qué me refiero con esto? La mayoría de las veces, alcanzar procesos ideales en la naturaleza es muy complejo. Cuando se quema un combustible, siempre quedan partes del combustible que no logran ser quemadas de manera adecuada y por lo tanto se tienen productos no quemados, que pueden participar en reacciones de combustión después de haber salido de la cámara de combustión. Tal es el caso de los afterburners de algunas aeronaves y por supuesto de los diamantes de Mach. Esta segunda reaccion de combustión o re-ignición es lo que genera el fenómeno luminoso que podemos apreciar y al que llamamos diamantes de Mach. Esta re-ignición provoca que los gases vuelvan a expandirse y el proceso puede repetirse hasta que el chorro entre en equilibrio con la atmósfera. Esta explicación puede resultar un poco confusa, así que checa el siguiente diagrama para entenderlo mejor:

Es importante aclarar que esta explicación es muy superficial, ya que detrás de todo esto existen campos de flujo muy complejos que involucran ondas de choque, discontinuidades en los campos de presión y otras cosas que son demasiado complicadas para explicar en un solo artículo. No obstante, creo que ahora cada que veas un vehículo con su estela de diamantes de Mach en sus motores tendrás una mejor idea de lo que está pasado. Pero aún queda algo más de lo que quiero hablar: dije previamente que un chorro sobreexpandido es menos eficiente que un chorro crítico, por lo que la presencia de diamantes de Mach implica que el motor no está a su máxima eficiencia. ¿Por qué es entonces que los ingenieros diseñan así los motores? La respuesta es muy sencilla: la atmósfera no tiene la misma presión en todos lados. Todos sabemos que a nivel del mar la presión es diferente a la presión que se tiene en la cima de una montaña. Entonces, estos diamantes de Mach generalmente aparecen en la etapa de despegue de los vehículos aeroespaciales, porque una vez que el vehículo comienza a subir, la presión atmosférica empieza a bajar permitiendo que el chorro se acerque más al régimen crítico y por lo tanto tengan mayor eficiencia a mayor altura. En otras palabras, los ingenieros estuvieron dispuestos a sacrificar algo de eficiencia a la hora del despegue a nivel del mar para que una vez estando a gran altura se tenga una mejor eficiencia. Ahora que sabes como es que estos increíbles diamantes luminosos aparecen, te dejo algunas imágenes de vehículos aeroespaciales con sus diamantes de Mach.

Escrito por: Alam Garcidueñas
Portada: Fotograma del vídeo de prueba de un motor Raptor de SpaceX (https://www.youtube.com/watch?v=e7kqFt3nID4)