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El constante precio al alza de los combustibles fósiles y sus derivados hace que la ciencia trate de buscar medios de transporte alternativos que hagan los fletes más económicos. La última idea consiste en una alfombra mágica de microburbujas que disminuy

Se diseña un barco con aberturas laterales que expulsan aire, con lo que es posible reducir el contacto agua/casco hasta en un 80%. Unas grandes cavidades con aire alrededor del barco pueden reducir la resistencia a la mitad mejorando la eficiencia del combustible y reduciendo la polución. Pulse en la imagen para ampliarla.©

YOSHIAKI KODAMA está tejiendo una alfombra mágica lo suficientemente grande para llevar un barco. Invocada desde aire liviano a golpe de interruptor, esta sábana resbaladiza ayudará a transportar un buque cisterna completamente cargado o un barco contenedor a través del océano a mayor velocidad, y usando mucho menos combustible que nunca antes.

Kodama es director del Departamento de Tecnología Avanzada en Transporte Marítimo en el Instituto Nacional Japonés de Investigación Marítima (NMRI) en Tokio. Su trabajo es solo uno de los varios programas especializados en marcha en EEUU, Rusia, Japón y Europa centrados en cómo hacer que un barco sea más resbaladizo.

Una embarcación que tiene menos fricción al deslizarse por el agua será mucho más eficiente que los barcos convencionales. Barcos resbaladizos podrían viajar a través del mar más rápido o llevar mayores cargas con el mismo consumo de combustible, ahorrando dinero y reduciendo la contaminación. Esto es crucial considerando que en 2003 más del 90% de todos los artículos que se enviaron alrededor del globo lo hicieron por barco – esto es, más de 6.000 millones de toneladas y la cifra tiende a aumentar.

Un reciente informe del Instituto Holandés de Investigación Marítima (MARIN), con base en Wageningen, dice que reduciendo la fricción y por ello la resistencia en el casco de un buque podría mejorar la eficiencia hasta en un 20%. “No hay actualmente ninguna otra técnica en arquitectura naval que pueda augurar estos ahorros”, comenta.

¿Pero cómo hacer un barco resbaladizo? Hasta ahora los investigadores lo han intentado con minúsculas burbujas, polímeros resbaladizos y capas atrapadas de aire, y parece que el mejor método depende de lo que se quiere conseguir. Si simplemente se desea transportar más carga a unos sosegados 14 nudos de una manera ambientalmente responsable usando menos combustible, entonces creando una alfombra de microburbujas bajo un casco aplanado en su base puede ser la respuesta. Por otra parte, la mejor opción para un barco de mercancías que se espera que corte el mar a más de 50 nudos podría ser cubrir el metal del casco con una cascada de aire, creando de hecho un barco en una burbuja.

La idea de disminuir la resistencia empezó cuando el ingeniero británico William Froude investigó la dinámica de fluidos de los barcos en el siglo 19. Al moverse un barco a través del agua encuentra tres tipos de resistencia: resistencia de onda, resistencia de presión y resistencia de fricción. La resistencia de onda es principalmente un problema a grandes velocidades y puede minimizarse con un diseño cuidadoso del casco. Un perfil aerodinámico puede también eliminar la resistencia por presión – el tirón hacia atrás generado por la diferencia de presión entre la proa y la popa mientras el agua que el navío atraviesa se divide y después se vuelve a combinar. El mayor componente de resistencia, y el mayor problema para los diseñadores de barcos, es la resistencia de fricción. Ésta se produce por la interacción entre el casco y el agua a su alrededor. Su efecto, dice Kodama, significa que el barco empuja un gran cuerpo de agua junto a él mientras se mueve.

La región de agua afectada por el paso del barco, conocido como capa límite, es normalmente medida en términos de impacto en el flujo a lo largo del casco. Típicamente cualquier masa de agua moviéndose a lo largo del casco a menos del 99% de un flujo despejado se cuenta como parte de la capa límite. Así como el impacto de un barco en el agua alrededor decrece cuanto más se aleja del casco, también hay variaciones entre la proa y la popa. Para un barco de 30 metros de eslora, la capa límite podría ser de alrededor de un metro de espesor en la proa, digamos, pero decenas de metros de espesor en la popa.

La resistencia de fricción tiene el mayor impacto a alrededor de un centímetro del barco, donde las interacciones entre el casco de metal y el agua son más fuertes. Una posible manera para reducir esto fue intentado por primera vez a principios de los ’70 por Michael McCormick y Rameswar Bhattacharyya en la Academia Naval de Estados Unidos en Annapolis, Maryland. Revistieron un cilindro con pequeñas burbujas de hidrógeno generadas por electrolisis, y lo arrastraron a través del agua. El resultado fue una significativa reducción de la fricción. La siguiente década, los investigadores mostraron que estas microburbujas podían disminuir la resistencia friccional hasta un 80%. Sin embargo, el efecto fue difícil de replicar en navíos reales.

Ahora los investigadores de Japón han decidido afrontar este problema, y planean convertir la promesa de las microburbujas en una realidad como parte del programa de desarrollo “Super Eco-Ship". Liderado por Kodama, el proyecto aspira a reducir la emisión de gases de efecto invernadero de los barcos en un cuarto al tiempo que incrementar su capacidad de carga en un 20%, gracias a toda una serie de cambios en la propulsión, el control y el diseño. Japón tiene un interés particular dado que la mayoría de sus importaciones y exportaciones viajan en barco.

En teoría, dice Kodama, hay más de un mecanismo por el que las microburbujas pueden ayudar a los barcos a deslizarse en el agua. Primero, las propias burbujas forman una lámina de aire emparedada entre el agua y el casco. Puesto que la viscosidad del aire – su resistencia al flujo – es alrededor del 1% de la del agua, la nave se mueve más fácilmente.

Otro mecanismo modifica la turbulencia que crea la resistencia friccional en el agua. A menor turbulencia generada, más fácil el movimiento de un barco a través del agua. Los investigadores han descubierto experimentalmente que las burbujas modifican directamente la turbulencia, comenta Kodama. “En un flujo turbulento, las burbujas en el fondo de la capa límite están bajo fuerzas de cizalla muy fuertes y sufren grandes deformaciones y a menudo se aplanan”. Este cambio de forma parece reducir la turbulencia y por tanto desciende la resistencia a la fricción.

El equipo de Kodama cree que una manera de recubrir el casco con microburbujas podría ser desviar una pequeña energía suplementaria del motor para generar burbujas cerca de la proa del barco mediante el soplo de aire comprimido a través de un plato ranurado o poroso. Estas burbujas podrían barrer hacia atrás para cubrir casi completamente el casco aplanado por debajo. La flotabilidad de las burbujas tendería a mantenerlas en su lugar bajo el barco, y las que se perdieran serian recargadas continuamente.

Para probar el efecto, el equipo de Kodama y los investigadores de las Universidades de Tokio y Osaka arrastraron un gran plato perforado con agujeros capaces de soltar microburbujas a lo largo de un tanque de pruebas de 400 metros. Incluso modificaron dos barcos para soltar burbujas de perforaciones cerca de la proa – un mercante de 6.000 Tm y un carguero de cemento de 10.000 Tm. Sin embargo, en las pruebas en el mar Kodama observó un descenso neto en la resistencia de solo un 3%. Con modelos a escala los investigadores en MARIN encontraron reducciones de menos de un 10 %.

Estas cifras no resultan tan magníficas como la teoría y las pruebas previas sugerían. Parece que hay toda suerte de complicaciones en la aplicación de las microburbujas a barcos reales. Por ejemplo, hay un trueque entre la energía usada para generar las burbujas y la energía ahorrada al soltarlas. Además hay que asegurarse que las burbujas no alcancen las hélices. Las hélices batiendo en agua llena de aire carecen de mordida y pierden empuje. También hay muchas incógnitas, como dónde colocar los eyectores de burbujas, qué tamaño de burbuja y qué forma del casco es mejor para el efecto, y fundamentalmente, como montar en una lámina de aire afecta la maniobrabilidad y navegabilidad del barco.

Algunos problemas se han resuelto fácilmente. Deflectores especiales o diseño cuidadoso de la parte posterior del casco por ejemplo, asegurará que las burbujas no alcancen las hélices. Otros temas están aún bajo investigación. Cuando el carguero de cemento fue equipado para la prueba a principios del año pasado, por ejemplo, las ranuras emitiendo las burbujas estaban colocadas en un lado de la proa. Pero las burbujas no se mantenían bajo el barco. Y en otros experimentos la lámina de burbujas fue efectiva en menos de 50 metros corriente abajo de la inyección. El barco ha sido contratado para ulteriores experimentos en 2007. Esta vez, dice Kodama, el equipo inyectará aire bajo el casco en dos o tres lugares a lo largo de su eslora.
La buena noticia es que parece ser pequeño el problema con la navegabilidad. De hecho, según los investigadores en Japón y una serie de experimentos usando modelos en MARIN, en la mayoría de las condiciones marítimas, las microburbujas, o bien hacen los barcos más estables, o bien tienen poco efecto.

Pero hay un problema que parece irresoluble – las microburbujas son efectivas sólo a velocidades relativamente bajas. “A mayor velocidad de flujo,” – dice Kodama, “mayor la magnitud de la turbulencia. Y esta turbulencia tiende a conducir las burbujas fuera del casco”. Si se desplazan más de un centímetro del barco, se pierde toda reducción de la resistencia.

Este es un problema importante para la marina de EEUU, que no solo quiere una buena eficiencia en el combustible, sino también alta velocidad. En el 2000, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EEUU (DARPA) empezó un programa para reducir a la mitad la resistencia de fricción. Solo este grado de mejora, argumentan los investigadores, podría dar aumentos significativos de la velocidad.

En lugar de barcos de prueba a escala real, el DARPA se centra en desarrollo de modelos numéricos y simulaciones por ordenador que revelaran como puede ser reducida la resistencia. Dos equipos están compitiendo para producir modelos, uno en la Universidad Stanford en California y el otro liderado por investigadores de contratistas de defensa de General Dynamics. Los resultados de estos modelos están siendo validados por experimentos a gran escala en las instalaciones de un enorme túnel de la marina de EEUU en Memphis, Tenessee, por un tercer equipo liderado por el ingeniero Steve Ceccio en la Universidad de Michigan en Ann Arbor. Este tanque es capaz de probar secciones de barcos de 3 metros de diámetro, en flujos de más de 35 nudos.

Este programa tiene como objetivo examinar las microburbujas, pero también la idea de cubrir los cascos con polímeros resbaladizos bombeándolos a través de agujeros en el lado del navío. Los polímeros ya son usados para ayudar en el flujo de aceite del Sistema de Tuberías de Trans-alaska, por ejemplo.

Aún estamos en los primeros días, pero ensayos a altos índices de flujo usando las microburbujas revelaron las mismas dificultades que encontró el equipo japonés. Durante el primer metro corriente debajo de la inyección de burbujas “la resistencia de fricción es increíble”, comenta Marc Perlin, investigador del grupo Ceccio. “Se acerca a resistencia cero. Pero entonces las fuerzas de cizalla lanzan las burbujas fuera de la capa límite”. Esto reduce el efecto significativamente. Pero, comenta Perlin, las microburbujas podrían trabajar bien para buques cisterna de movimiento lento. “Aquí el efecto burbuja puede mantenerse durante largas distancias”.

A alta velocidad, los polímeros parecen ser mucho más efectivos. Los compuestos investigados por el equipo incluyen óxido de polietileno, usado para hacer capsulas digeribles para medicamentos, y poliacrilamida, empleada como floculante en plantas de tratamiento de aguas residuales. Los polímeros probablemente no dañarán al ambiente, comenta Perlin, “pero la marina no tiene interés en los polímeros porque uno tiene que llevarlos y eso reduce la carga útil del barco”.

Otra forma de lubricación está también generando interés. Una película de aire de pocos milímetros de espesor puede formarse bombeando aire a través de un recubrimiento super-repelente de agua en el casco. El aire queda atrapado junto al recubrimiento en preferencia al agua, ayudando a reducir la fricción entre el agua y el casco.

Perlin y otros investigadores aún piensan que la mejor solución puede llegar del concepto ya explorado por los ingenieros rusos: cavidades de aire. Aunque ha habido pocos comentarios de DARPA, esta idea está claramente en observación por la agencia, juzgando por el título de uno de los últimos programas de investigación: Reducción de Resistencia por Cavidades de Aire (AirCat).

Barco en una burbuja

La idea de cavidades de aire tiene mucho en común con la supercavitación, en la que un objeto sumergido como un torpedo crea una única y gran burbuja a su alrededor. Esto corta la fricción superficial, llevando su capacidad a velocidades notables (New Scientist, 22 Julio 2000, p. 26). Quizá no sorprenda que los ingenieros rusos, quienes primero desarrollaron los torpedos de supercavitación, no solo han hecho bastante investigación sobre lubricación por cavidades de aire para barcos, sino que también han puesto sus ideas en marcha.

Desde 1980, los astilleros rusos han entregado al menos 50 navíos, incluyendo patrulleras, transbordadores y lanchas de desembarco que están equipados con cavidades en el casco. El bombeo de aire por ellas reducen la resistencia hasta un 40%, requiriendo solo un 3% de la potencia del navío para mantenerlo. La mayoría de estos navíos incorporan un casco escalonado o con muescas para crear una cavidad en forma de ‘V’ dentro de la cual es bombeado el aire. Una de las ventajas de esta tecnología es que puede ser mejorada fijando segmentos en forma de cuña a lo largo del casco para crear escalones. Los ingenieros del Instituto de Investigación de Arquitectura Naval Krylov en San Petersburgo afirman que pueden construir un barco de baja velocidad que ahorra un 20% de combustible; y barcos de alta velocidad que pueden ahorrar incluso más. E incluso puede comprar un yate a motor de alta velocidad equipado con esta tecnología.

Pero ¿está el dinero bien gastado? MARIN usa modelos para comparar cavidades de aire, películas de aire y microburbujas, y ha descubierto que todos resultan en ahorros netos de energía. “En nuestro experimento”, dice Cornel Thill, gerente superior del proyecto en MARIN, “las microburbujas fueron las menos eficientes, ahorrando solo algo de porcentaje. La película de aire fue mejor, y las cavidades de aire representan las mejores”. Thill piensa que esta clasificación podría cambiar fácilmente al avanzar las investigaciones.

Cualquiera que sean los detalles, la reducción de resistencia es una idea cuyo tiempo ha llegado, comenta Thill. Él y sus colegas planean construir una barcaza motorizada lubricada por aire hacia 2009. Y el Grupo DK con base en Rotterdam, una compañía que pretende desarrollar navíos con cavidad de aire, está trabajando con el arquitecto naval danes Knud E. Hansen para desarrollar un sistema de cavidad de aire para cruceros de línea, buques cisterna y barcos contenedores. Eventualmente aspira a construir un carguero de alta velocidad que cruce el atlántico en dos días y medio, cerca de un cuarto del tiempo requerido por un barco convencional. De esta manera, ¿quién necesita una alfombra mágica que vuela en el aire?
Del ejemplar 2539 de la revista New Scientist, 18 de Febrero de 2006, página 46