El magnetrón y el horno microondas [Viva el Ingenio]

Nuestra colección Viva el Ingenio de 3M suma y sigue. Hoy les hablaremos sobre el horno microondas, y déjenme empezar diciendo que, aunque suena como un artefacto demasiado doméstico para ponerlo a la altura de otros temas que hemos abordado, en realidad es un primo cercano de tecnologías mucho más "serias".

En la práctica, el descubrimiento que indirectamente generó el horno microondas ocurrió por accidente mientras experimentaban con una variedad nueva de tubos de vacío.

Super Magnetrón

El nombre suena como un robot, y en la práctica hubo una serie animada que llegó como Super Magnetron.Es la foto que ven arriba y la elegimos porque, aunque no tiene nada que ver, es mucho más atractiva que la foto de un horno en cualquiera de sus formas.

El magnetrón es el invento que precede y explica el horno microondas y, en realidad, tiene muy poco de robot. Es un tipo de tubo de vacío con un comportamiento muy particular. Si vemos su sección transversal ésta consiste en un cilindro de cobre en cuyo manto, de generoso espesor,  hay cavidades semicilíndricas. ¿No se entendió nada? Mejor ponemos un esquema. Por dentro de ese cilindro de cobre hay un espacio vacío (realmente vacío, porque este es un tubo de vacío) y en el centro un cátodo que al igual que en cualquier dispositivo de este tipo es quien proveerá los electrones debido al Efecto Edison o emisión termoiónica.

Esta forma parece demasiado elaborada para ejecutar la sencilla tarea que tubos de vacíos mucho más simples, como el diodo, pueden conseguir. Pero la diferencia, querido lector, está en los imanes que hay fuera del tubo de vacío. Mientras la diferencia de potencial entre cátodo y ánodo genera un campo eléctrico, la pareja de imanes le añade un campo magnético. Como resultado los electrones no viajan en línea recta entre cátodo y ánodo, sino que describen una trayectoria helicoidal.

La espiral no me quedó muy decente, pero espero que se entienda. Sin los magnetos la trayectoria sería como al lado izquierdo, mientras que con ellos el electrón viaja como en el dibujo derecho. Este movimiento helicoidal genera un campo eléctrico variable, pero el diseño no termina ahí.

Las cavidades semicilíndricas no están ahí para guardar lápices, sino que se comportan como un circuito bobina + condensador, generando una onda resonante que amplifica el campo generado por el electrón. Alimentando el cátodo con corriente alterna se imprime una variación adicional al flujo de electrones, y la superposición de todos los efectos ofrece como resultado una radioemisión de altísima frecuencia.

Alimentado con un bajo voltaje el magnetrón solamente funciona como un diodo bastante torpe y se calienta considerablemente, pero a medida que se acerca a su voltaje de diseño, entra en resonancia y empieza la magia. En 1940, cuando John Randall y Harry Boot probaron su magnetrón, consiguieron arrancarle una onda de 3.2 Ghz, superando con mucho a las ondas UHF que usaban los mejores radares de la época.

Estos dos físicos ingleses eran el orgullo de la Universidad de Cambridge, y cuando empezó la segunda guerra mundial les dijeron: "Necesitamos que tomen el proyecto del radar centimétrico" (capaz de detectar objetos de pocos centímetros). Randall y Boot pasaron dos meses dándole vueltas a la idea y llegaron al diseño que está arriba. Pese a que ya existían los magnetrones (un tubo de vacío de transferencia radial y con magnetos) el gran aporte de los dos jóvenes fue incorporar las 8 cavidades resonantes, logrando una señal 100 veces más potente que cualquier invento de la época.

Una onda de 3Ghz tiene una longitud de onda unos 10 cm, por lo que de pronto los ingleses se vieron armados de un radar capaz de detectar objetos de pocos centímetros. Adicionalmente, el magnetrón podía funcionar a voltajes enormes (del orden de 15 a 20.000 volt) y corrientes de 8 a 10 Ampere, obteniendo más de 100 kW de potencia y ofreciendo mayor rango de detección que cualquier otro radar.

Durante esos meses Alemania invadió exitosamente Francia, el aliado más poderoso de Inglaterra, por lo que de pronto los británicos se encontraron jugando a la defensiva y protegiéndose contra los ataques de la Luftwaffe que bombardearon la mitad del país. Hoy se sabe que, de no ser por el radar de microondas, inglaterra hubiese caído mucho antes de que Estados Unidos decidiera intervenir.

Al igual que muchos inventos, fue en gran parte la guerra lo que motivó el descubrimiento del radar y financió las investigaciones relacionadas... pero el magnetrón estaba lejos de encontrar su lugar definitivo.

Hot Chocolate

Hot Chocolate es el grupo que toca "You Sexy Thing", una de las mejores canciones de la historia. Pero en este caso la historia del chocolate caliente corre por otra vertiente.

Era 1946. La guerra había terminado y los contratistas que habían ganado los contratos de suministros de material bélico estaban forrados, por lo que tenían más plata que las universidades e incluso los gobiernos en algunos casos.

En las instalaciones de Raytheon Corporation en Massachusetts, estaban trabajando en perfeccionar el magnetrón que Randall y Boot habían introducido en inglaterra en 1940. El ingeniero Percy Spencer pasó toda la mañana probando un magnetrón propio y, cuando llegó la hora de almuerzo, sacó la barra de chocolate que tenía en su bolsillo. Al abrirla, notó que estaba completamente derretida... porque en ese tiempo el chocolate era de chocolate y no simple manteca con saborizante como hoy en día.

No se sabe cuánto demoró Spencer en asociar el magnetrón con el calentamiento del chocolate, pero sí que en los días que siguieron experimentó con otras comidas menos susceptibles a derretirse a temperatura ambiente. Por ejemplo logró hacer palomitas a partir de maíz seco, y logró hacer explotar un huevo dejando un pequeño desastre en el laboratorio.

Dicen que el experimento del huevo lo llevó a una segunda iteracción, mediante la cual encerró el magnetrón en un cajón metálico para evitar salpicaduras. Parece que ese año Spencer andaba de suerte, porque el cajón metálico le permitió apreciar que en esa configuración el alimento se calentaba más rápido, lo cual se explica porque las ondas no logran traspasar la pared del contenedor y permanecen rebotando dentro de él, gracias a lo cual el alimento recibe el efecto de numerosas microondas superpuestas.

El fenómeno que explica el funcionamiento  se llama Calentamiento Dieléctrico y ocurre porque ciertos compuestos tienen una estructura dipolar: el agua, la grasa y otros tienen un polo positivo y otro negativo, y cuando son expuestos a un campo electromagnético intentan alinearse con él. Cuando el campo es constante no hay problema, las moléculas de agua figuran ordenaditas.

En el caso del horno microondas, el campo es variable. Cambia de dirección y sentido en cada momento y las moléculas del alimento se dan muchas vueltas intentando alinearse con algo que nunca se queda quieto. En estas vueltas se genera roce a nivel molecular, y ese roce produce calor. Si un alimento no tuviera ningún componente dipolo entonces sería absolutamente inmune a las microondas y, por otro lado, mientras más libres sean las moléculas mayor será su rotación y por tanto el calor generado. En este sentido el cálculo involucrado es distinto a otros sistemas termodinámicos.

Por ejemplo, para elevar la temperatura de un gramo de agua de 5°C a 15°C se requiere gastar 10 Calorías. Para elevar la temperatura de 1 gramo de hielo a -5°C y convertirlo en agua a 5°C se requieren las mismas 10 Calorías más otras 80 Calorías para hacerlo cambiar de fase. La relación de calor es entonces 9 veces más ante una fuente de calor normal. Si se repite el ejercicio en el microondas el lector podrá apreciar que esta proporció aumenta, y para cuajar la totalidad del hielo nos puede tomar 20 veces más tiempo que para calentar el agua. ¿Por qué? Esto es porque el hielo tiene una estructura cristalina más rígida que el agua, y las moléculas tienen menos libertad para rotar. Hasta que ocurre el cambio de fase el hielo es mucho menos sensible a las microondas que el agua.

Radarange: El Microondas Comercial

Al final de ese año, Raytheon presentó una patente para "cocinar alimentos empleando microondas". Lo malo es que "el producto" que apareció al año siguiente, bautizado como Radarange, era un armatoste metálico de proporciones. Se trataba de un cuerpo oblongo de 1.80 de altura, con aspecto de refrigerador industrial. Pesaba más de 340Kg e incorporaba un circuito de refrigeración líquida, un verdadero sistema de watercooling adosado. Era como el gabinete Full Tower de los microondas y se vendía por varios miles de dólares (en una época en donde 5000 dólares eran como el sueldo de un año) . No faltaron los agoreros que pronosticaron el fracaso del invento.

Sin embargo el tiempo pasó, el diseño se perfeccionó. Se crearon magnetrones que no requerían refrigeración por agua sino que se mantenían con un disipador y un ventilador, se redujo el tamaño, se hizo más liviano y, lo más importante, más barato. Lo suficientemente barato como para que algunos restaurantes empezaran a comprarlos. La ventaja ofrecida por el proveedor era calentar los alimentos en una fracción del tiempo que tomaba hacerlo en una cocina común, por lo que era especialmente conveniente en locales de comida preparada.

La industria fue adoptando el horno microondas de manera intensiva y extensiva. Descubrieron que no sólo servía para calentar alimentos sino para deshidratar otra clase de productos que hasta ese entonces se secaban al sol o se tostaban en estufas convencionales, como el corcho y el café en grano. Para el público particular, en cambio, el horno siguió siendo un misterio durante otros 20 años. Aunque se había vuelto más barato (USD 500 a mediados de los años 60), la industria de las cocinas a gas había logrado imponer en la población la creencia de que el microondas iba matando paulatinamente a su dueño, quien terminaba envenenado por radiación. Sin embargo, aunque cualquier forma de radiación tiene consecuencias, y las microondas no escapan a ello, el público fue dando cada vez menos crédito a esa creencia.

En 1975 se vendieron más microondas que cocinas a gas en Estados Unidos, alcanzando un millón de unidade.  En 1980 el 25% de los hogares tenía uno. Actualmente esa cifra debe ser más bien cercana al 100%.

Mi familia al menos tuvo su primer microondas en 1992 y hubo una reunión familiar para recibirlo. Era enorme, tenía perillas análogas y sonaba como un camión, pero los primos nos turnamos toda una tarde haciendo sandwiches de queso fundido.

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