¿El agua se congela o hierve en el espacio?

«No se puede cruzar el mar simplemente parándose y mirando el agua.»
-Rabindranath Tagore

Si trajeras agua líquida al espacio exterior, ¿se congelaría o herviría? El vacío del espacio es terriblemente diferente de lo que estamos acostumbrados aquí en la Tierra. Donde estás ahora, rodeado de nuestra atmósfera y relativamente cerca del Sol, las condiciones son las adecuadas para que el agua líquida exista de manera estable en casi todas partes de la superficie de nuestro planeta, ya sea de día o de noche.

Pero el espacio es diferente de dos maneras extremadamente importantes: hace frío (especialmente si no estás bajo la luz solar directa o más lejos de nuestra estrella), y es el mejor vacío sin presión que conocemos. Mientras que la presión atmosférica estándar en la Tierra representa aproximadamente 6 × 10^22 átomos de hidrógeno empujando hacia abajo en cada metro cuadrado en la superficie de la Tierra, y mientras que las mejores cámaras de vacío terrestres pueden llegar a aproximadamente una trillonésima parte de eso, el espacio interestelar tiene una presión que es millones o incluso miles de millones de veces más pequeña que eso!

En otras palabras, hay una increíble caída de temperatura y presión cuando se trata de las profundidades del espacio exterior en comparación con lo que tenemos aquí en la Tierra. Y, sin embargo, eso es lo que hace que esta pregunta sea aún más problemática.

Verás, si tomas agua líquida y la colocas en un ambiente donde la temperatura se enfría por debajo del punto de congelación, formará cristales de hielo en muy, muy poco tiempo.

Bueno, el espacio es muy, muy frío. Si hablamos de ir al espacio interestelar, lejos (o sombreado) de cualquier estrella, la única temperatura proviene del resplandor sobrante del Big Bang: el Fondo Cósmico de Microondas. La temperatura de este mar de radiación es de solo 2.7 Kelvin, que es lo suficientemente frío como para congelar hidrógeno sólido, mucho menos agua.

Entonces, si tomas agua en el espacio, debería congelarse, ¿verdad?

No tan rápido! Porque si tomas agua líquida y dejas caer la presión en el ambiente que la rodea, hierve. Es posible que esté familiarizado con el hecho de que el agua hierve a una temperatura más baja a grandes altitudes; esto se debe a que hay menos atmósfera por encima de usted y, por lo tanto, la presión es menor.

Podemos encontrar un ejemplo aún más severo de este efecto, sin embargo, si ponemos agua líquida en una cámara de vacío y luego evacuamos rápidamente el aire. ¿Qué pasa con el agua?

¡Hierve, y hierve bastante violentamente! La razón de esto es que el agua, en su fase líquida, requiere un cierto rango de presión y un cierto rango de temperaturas. Si comienza con agua líquida a una temperatura fija determinada, una presión lo suficientemente baja hará que el agua hierva inmediatamente.

Pero de primera mano, de nuevo, si comienzas con agua líquida a una presión determinada y fija, y bajas la temperatura, ¡eso hará que el agua se congele inmediatamente!

Cuando hablamos de poner agua líquida en el vacío del espacio, estamos hablando de hacer ambas cosas simultáneamente: tomar agua de una combinación de temperatura y presión en la que sea estable un líquido y moverla a una presión más baja, algo que le haga querer hervir, y moverla a una temperatura más baja, algo que le haga querer congelarse.

Puede llevar agua líquida al espacio (a bordo, por ejemplo, de la estación espacial internacional) donde se puede mantener en condiciones similares a las de la Tierra: a una temperatura y presión estables.

Pero cuando pones el agua líquida en el espacio — donde ya no puede permanecer como un líquido que una de estas dos cosas sucede? ¿Se congela o hierve?

La respuesta sorprendente es que hace ambas cosas: primero hierve y luego se congela! Sabemos esto porque esto es lo que solía pasar cuando los astronautas sentían la llamada de la naturaleza mientras estaban en el espacio. Según los astronautas que lo han visto por sí mismos:

Cuando los astronautas orinan mientras están en una misión y expulsan el resultado al espacio, hierve violentamente. El vapor pasa inmediatamente al estado sólido (un proceso conocido como desublimación), y termina con una nube de cristales muy finos de orina congelada.

Hay una razón física convincente para esto: el alto calor específico del agua.

Es increíblemente difícil cambiar la temperatura del agua rápidamente, porque a pesar de que el gradiente de temperatura es enorme entre el agua y el espacio interestelar, el agua retiene el calor increíblemente bien. Además, debido a la tensión superficial, el agua tiende a permanecer en formas esféricas en el espacio (como se vio anteriormente), lo que en realidad minimiza la cantidad de superficie que tiene para intercambiar calor con su entorno bajo cero. Así que el proceso de congelación sería increíblemente lento, a menos que hubiera alguna forma de exponer cada molécula de agua individualmente al vacío del espacio mismo.

Pero no hay tal restricción en la presión; es efectivamente cero fuera del agua, por lo que la ebullición puede tener lugar inmediatamente, sumergiendo el agua en su fase gaseosa (vapor de agua).

Pero cuando hierva el agua, recuerde cuánto más volumen ocupa el gas que el líquido y cuánto más se separan las moléculas. Esto significa que inmediatamente después de que el agua hierva, este vapor de agua, ahora a presión cero efectiva, puede enfriarse muy rápidamente. Echemos otro vistazo al diagrama de fases para el agua.

Una vez que llegue por debajo de aproximadamente 210 K, entrará en la fase sólida para agua — hielo, sin importar cuál sea su presión. Así que eso es lo que sucede: primero el agua hierve, y luego la niebla muy fina que hierve y se congela, dando lugar a una tenue y fina red de cristales de hielo.

¡Lo creas o no, tenemos una analogía para eso aquí en la Tierra! En un día muy, muy frío (tiene que ser de aproximadamente -30° o menos para que esto funcione), tome una olla con agua apenas hirviendo y tírela (lejos de su cara) al aire.

La reducción rápida de la presión (pasar de tener agua encima a solo aire) causará un hervor rápido, y luego la acción rápida del aire extremadamente frío sobre el vapor de agua causará la formación de cristales congelados: ¡nieve!

¿Así que el agua hierve o se congela cuando la llevas al espacio? Sí, lo hace.