¿Cómo es que un humilde tubo plástico puede mágicamente impedir que el lente frontal de un telescopio se empañe?  ¿Cuál es la mejor forma de construirlo?

Estas son preguntas que muchas veces nos hacemos los astrónomos aficionados.  Curiosamente, las respuestas son muy variadas, y para muchos es todo un misterio.  La Física viene al rescate.

Un tubo antirocío no trabaja por aislamiento térmico (como lo hace un pedazo de espuma sobre algo frío o caliente).  El antirocío trabaja bloqueando la radiación de calor del telescopio al espacio, evitando así que el lente se enfrie por debajo de la temperatura de condensación del agua en el aire.  Veamos cómo se fundamenta esto.

Pérdida de calor por radiación al espacio

Una forma de transmisión de calor es por radiación.  Es la forma en que las estrellas emiten su calor al espacio.  Ese calor es llevado por la radiación electromagnética, que puede ser visible, infrarroja, etc.  Es lo que uno siente frente a una fogata, o al exponerse al Sol.

Entre un cuerpo a temperatura Ta, y otro a menor temperatura Tb, la transferencia de calor del más caliente al más frío esta dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann:

E = (Sigma)(Ff)(Fe)(Ta^4 - Tb^4)

donde:

E = Calor neto intercambiado, Watts/m^2

Sigma = Constante de Stefan-Boltzmann, Watts/(m^2-Kelvin^4)

Ff = Factor de forma, factor sin dimensiones menor o igual que 1.0,

      que indica qué fracción del calor emitido por el cuerpo a cae

      sobre el cuerpo b.

Fe = Factor de emisividad, factor sin dimensiones igual o menor que 1.0,

        que depende del material y color de las superficies.

Para nuestro caso solo interesa el hecho de que la transmisión de calor entre el lente frontal y el cielo nocturno depende de las temperaturas de ambos cuerpos, y algunos factores (Sigma y F´s).

Ta (lente frontal) puede estar a unos 20 grados Celsius (293 Kelvin).  Sorprendentemente, la temperatura equivalente del cielo nocturno es de -46 grados Celsius (227 Kelvin).  Esta gran diferencia de temperatura es la que hace que las cosas se enfríen de noche, incluyendo el telescopio, las personas, el suelo, y la atmósfera.

Condensación  

En el aire siempre hay vapor de agua.  Entre más vapor de agua, más alta la humedad relativa del aire, y esta última puede llegar a un máximo de 100%. 

A medida que el lente frontal se enfría, según se explica arriba, se puede llegar a una temperatura en la que el vapor de agua empieza a condensarse como agua líquida.  Esta es la condensación que se forma en la noche sobre el telescopio.

La temperatura en que inicia la condensación se conoce como el Punto de Rocío del aire.  Depende de la temperatura del aire, la humedad relativa, y la elevación del sitio sobre el mar.  Por ejemplo, a nivel de mar, a 20 grados Celsius, y 70% de humedad relativa, el Punto de Rocío es de 14.5 grados Celsius.  A 50% de HR, es de 9.5 grados Celsius.

La condensación nocturna solo se da bajo un cielo despejado.  En una noche nublada, las nubes impiden la radiación del calor al espacio exterior, y son menos frías que si estuviera despejado.

Tubo antirocío

Con todo lo anterior, vemos cómo es que funciona el tubo antirocío para evitar la condensación.  De nuevo, el antirocío trabaja bloqueando la radiación de calor del telescopio al espacio, evitando así que el lente se enfrie por debajo de la temperatura de condensación del agua en el aire. 

Antirocío calentado eléctricamente

Esto también permite entender cómo funciona el antirocío calentado eléctricamente, tipo Kendrick.  Lo que hace el calentador pegado a la periferia del lente frontal es mantener el lente por encima de la temperatura de condensación.  Por eso es que no se siente caliente al tacto, solo ocupa mantener la temperatura por encima del Punto de Rocío.  De hecho es preferible que no se sienta caliente al tacto, porque crearía corrientes de convección de aire caliente que degradarían la óptica.

Preguntas

¿Se gana algo con un antirocío hecho con espuma aislante de hule, como los que vende Orion? No.  El Factor de Emisividad Fe casi no cambia si el material es espuma negra, o plástico negro, o aluminio negro.

¿Cuál es el mejor material?  Casi que da lo mismo cualquier cosa pintada de negro.  El Factor de Emisividad Fe es alrededor de 0.8 para cualquier cosa negra.  El plástico es resistente a la humedad, y no raya el telescopio al caerle encima.  Nótese que en realidad un material plateado en realidad es mejor porque tiene una emisividad baja y por tanto libera menos calor por radiación (enfría menos rápido), pero por razones ópticas se prefiere el color negro.

¿El antirocío garantiza que no se formará condensación?  No.  La transmisión de calor lente-espacio se sigue dando, aunque en menor medida, y dado suficiente tiempo, se podrá empañar.  Lo que hace es retrasar en enfriamiento.

¿De qué largo se recomienda el antirocío?  La recomendación usual es 2 o 2.5 veces el diámetro del telescopio.  Entre más largo sea más cubre el lente frontal (menor Factor de Forma Ff), y por tanto, más tiempo aguanta antes de condensar.  Sin embargo, el ser más largo trae el problema de que el viento mueve más el telescopio.