Trabajo de investigación de bachillerato
Fusor Aaries (de Aarón y Elies)
Un fusor Farnsworth-Hirsch-Meeks hecho en casa.
El fusor Aaries es un aparato de demostración que ioniza las moléculas restantes dentro de un frasco para proporcionar a la corriente un camino de baja resistencia que conecte la malla interna (el chupa-chups de dentro) con la malla externa (la rejilla de cobre que envuelve la jarra) y así completar el circuito.
Es la parte práctica de un trabajo de investigación que pretende pronosticar cómo se verá la red eléctrica interconectada española del futuro. Para demostrar las posibilidades de la fusión nuclear, construimos un aparato de fusión iónica por confinamiento inercial, o fusor Farnsworth-Hirsch-Meeks. Iba a usar deuterio como combustible, pero por seguridad, dinero y tiempo lo cambiamos por otro modo de completar el circuito.
- Aarón Chaves Caseiroestructura, materiales y soldadura
- Elies García Alviracircuito de control y potencia, componentes
Pruebas
Para demostrar el funcionamiento del fusor Aaries realizamos distintas pruebas y las grabamos.
01
Circuito de control
Resultado: correcto: enciende la bombilla
La primera prueba era la del circuito de control, en concreto comprobar que los relés e interruptores alimentados a 12 V (corriente continua) pudieran encender una bombilla operada a 230 V (corriente alterna).
Parte 1 · 0:13 · 1,0 MB Parte 2 · 0:12 · 1,0 MB 02
Bomba de vacío
Resultado: correcto: hace vacío
La segunda prueba consistía en probar que la bomba de vacío funcionara. Para eso le colocamos una válvula y la enchufamos a la red.
Bomba de vacío · 0:11 · 1,8 MB 03
Circuito y bomba (pruebas 1 y 2)
Resultado: correcto: la malla se mueve
Las siguientes pruebas son las del circuito eléctrico y la bomba en su conjunto, ordenadas cronológicamente. En las pruebas 1 y 2 se puede observar cómo la rejilla externa del frasco se va deformando.
Prueba 1 · 1:35 · 15 MB Prueba 2 · 0:16 · 5,2 MB 04
Sellado de la jarra (prueba 3)
Resultado: fallo: fuga en el sellado
La prueba 3 es menos interesante, pero igualmente valiosa, ya que nos permitió encontrar una falla en el sellado de la jarra.
Prueba 3 · 1:02 · 9,3 MB 05
Cómo se opera el fusor (prueba 4)
Resultado: correcto: un arco, apenas visible
La última prueba, donde explicamos por encima cómo se opera el fusor, es de especial importancia. Después de 10 minutos de vaciado de la cámara vimos un momentáneo arco eléctrico, apenas visible. No lo capturamos en cámara, ya que fue una prueba únicamente de la operación sostenida de la cámara de vacío.
Cómo se construyó
Fotografías y vídeos del proceso y progreso del proyecto práctico de este trabajo de investigación.
01Proceso
Diseño y materiales
Primero se diseñó un modelo y después fuimos a comprar los materiales al Bauhaus para montarlos posteriormente.
todo del Bauhaus, menos el microondas
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02VARIAC
Autotransformador
También obtuvimos el alternador variable (VARIable Alternating Current, VARIAC), que permite regular el voltaje que entra al circuito de alto voltaje, permitiendo transitar de un valor de 0 voltios a uno de 250 V de manera analógica.
Después de comprobar el cableado del autotransformador (nombre técnico del alternador variable), se probó el VARIAC mediante un multímetro marca Brymen BM786 y el multímetro LCD que irá en el fusor finalizado.
El VARIAC se ensambló en el fusor a través de tentes (piezas de metal con forma de L con agujeros para atornillar aparatos y mantenerlos fijos en un lugar).
de 0 a 250 V girando una rueda
Prueba del VARIAC · 1:42 · 9,7 MBEl multímetro Brymen BM786 y el multímetro LCD del fusor miden la tensión que da el VARIAC. Ver 4 fotos másVer 4 fotos más
03Alto voltaje
Transformador
El dispositivo que permite transformar el voltaje variable de 0 a 250 V que sale del autotransformador en uno de aprox. 2 kV y 500 mA. No lo hemos medido, pero es el valor que los transformadores de microondas suelen generar en su bobina secundaria.
Cabe mencionar que al principio pensábamos utilizar un transformador de neón de 10 kV y 30 mA, pero al descubrir que no tenía referencia a tierra lo descartamos y desmontamos un microondas que el padre de Elies no utilizaba en su negocio, es decir, nos salió esencialmente gratis.
- Neón
- 10 kV · 30 mA · descartado, sin referencia a tierra
- Microondas (MOT)
- ≈2 kV · 500 mA · el que se usó
el de neón no tenía tierra
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04Cámara de vacío
Frasco
La cámara, frasco o jarra es donde se hace el vacío parcial para permitir la ionización de las moléculas que conduzcan a una ruta conductora desde la malla interna hasta la externa.
Primero se utilizó una rejilla externa de latón rígida, pero como se oxidó con cierta facilidad al ser expuesta al sol tuvimos que utilizar una de cobre menos rígida.
En la primera fotografía se puede observar la deformidad que tiene la malla externa. Esto fue producto de la primera prueba del fusor, donde la fuerza electromagnética producto del campo electromagnético generado por el transformador en la espiral esférica atrajo la misma malla hacia el centro, donde está la malla interna. Demostrando que funcionó (en las pruebas 1 y 2 se puede ver el efecto ocurriendo en tiempo real).
el latón se oxidó al sol → cobre
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05Coraza
Armazón
El armazón y coraza del fusor fue agujereado, pintado, limado y se le dio un trato para que quedara bien desde una perspectiva de diseño.
agujereado, pintado, limado
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06Montaje y cableado
Conjunto
Proceso de la instalación y montaje del conjunto del fusor, incluyendo tanto la parte más de bricolaje o construcción como la de electrónica.
Aarón diseñó la estructura y se encargó de los materiales de construcción y la soldadura. Elies diseñó el circuito de control y de potencia y aportó los componentes eléctricos.
La investigación
El trabajo pretende pronosticar cómo se verá la red eléctrica interconectada española del futuro. Elies es el encargado de esta sección teórica. Investiga los cambios y efectos de la generación, transmisión, distribución y almacenamiento de la energía eléctrica utilizando diferentes modelos de estudio: el modelo ReEDS del departamento de energía de EE. UU., el modelo USREP del MIT y el modelo macroeconómico que explica las economías de escala.
La red eléctrica, tanto la europea como la española, está experimentando una disrupción por tres tecnologías que se armonizan entre ellas para formar un sistema eléctrico barato, fiable y limpio. Son los paneles solares fotovoltaicos, los aerogeneradores operados en tierra firme y las baterías. Como muchas otras disrupciones, tendrá una primera fase de carácter exponencial (estamos más cerca de la mitad que del principio) y una segunda que se desacelera y finalmente se estanca. El sector eléctrico que quedará después será considerablemente mayor que el actual.