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Inesperado comportamiento fractal de las llamas de hidrógeno

Cuando se quema gas hidrógeno, las llamas son capaces de propagarse por espacios muy estrechos creando figuras fractales. Este descubrimiento, realizado por investigadores españoles y alemanes, puede ayudar a mejorar la seguridad de los generadores de energía basados en este combustible.

Propagación de llamas de hidrógeno (trazos oscuros) en una cámara de combustión muy estrecha: la de la izquierda avanza verticalmente hacia abajo, y la de la derecha, en sentido inverso. Las partes claras indican el hidrógeno que no se ha quemado. / Veiga-López, Physical Review Letters

Las llamas de hidrógeno pueden propagarse, incluso con poco combustible, dentro de espacios sorprendentemente estrechos, extendiéndose, además, conformando llamativas estructuras fractales. 

Este es el inesperado comportamiento físico de este gas al quemarse detectado por un equipo científico liderado por investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). Los resultados, publicados en la revista Physical Review Letters, pueden servir para mejorar la seguridad en dispositivos de generación de energía basados en hidrógeno.

Incluso con poco combustible, las llamas de hidrógeno pueden propagarse dentro de espacios tan sorprendentemente estrechos como un milímetro conformando llamativas estructuras fractales

Los experimentos realizados en cámaras de combustión muestran que las llamas de hidrógeno pueden sobrevivir en condiciones más extremas de lo que se pensaba anteriormente.

“Nuestro artículo demuestra que las llamas de hidrógeno son capaces de propagarse a través de espacios muy delgados, tan estrechos como un milímetro, creando situaciones peligrosas indeseables”, explica Fernando Veiga, uno de los investigadores de la UC3M que ha realizado gran parte del trabajo experimental.

El uso del hidrógeno como combustible puede ayudar a reducir las emisiones de dióxido de carbono, pero su almacenamiento y transporte presenta ciertos riesgos. Este trabajo demuestra con evidencias empíricas que el gas se puede quemar en situaciones inesperadas. 

Para ello, el equipo experimentó con diluciones de combustibles gaseosos en un espacio de unos milímetros de ancho y encontró que el hidrógeno se podía quemar de forma estable incluso si su concentración era tan solo del 5 %.  

Cámara de alta velocidad para ver fractales 

Las llamas de hidrógeno son casi invisibles a simple vista y emiten muy poco calor radiante, lo que las hace difíciles de detectar. Para conseguirlo, los investigadores utilizaron un método especial para trazar su desplazamiento y una cámara de alta velocidad para rastrear las trayectorias que siguen las llamas durante su propagación.

Así comprobaron que van creando un fractal al extenderse, es decir, adoptan una forma geométrica cuya estructura básica se va repitiendo a diferentes escalas. “Las grabaciones en vídeo revelan esta estructura fractal, que permite precisamente el acceso eficiente al nuevo combustible a medida que se quema”, señala otro de los coautores de la UC3M, Mario Sánchez Sanz

En este trabajo también ha participado Eduardo Fernández-Tarrazo del departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de esta universidad, Daniel Martínez Ruiz de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), Mike Kuznetsov del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania) y Joaquim Grune del grupo Pro-Science GmbH (Alemania).

Los autores recuerdan que el hidrógeno se configura como una energía limpia y eficiente, por lo que las tecnologías de generación de energía basadas en él verán, en un futuro próximo, incrementado significativamente su uso. “El diseño y el protocolo de seguridad de estas tecnologías tendrán que contemplar estos nuevos regímenes de propagación”, advierte Martínez Ruiz, profesor de la ETSI Aeronáutica y del Espacio de la UPM.

El diseño y el protocolo de seguridad de las tecnologías de generación de energía basadas en el hidrógeno tendrán que contemplar estos nuevos regímenes de propagación

Los resultados de esta investigación pueden resultar de utilidad para los equipos de ingenieros que diseñen sistemas de almacenamiento de hidrógeno, que necesitarán tener en cuenta su extrema inflamabilidad, incluso en espacios muy estrechos.

Las células de combustible de hidrógeno se utilizan como fuente de energía en coches y motos, por ejemplo. “Un escape de hidrógeno y su acumulación en una entorno confinado puede dar lugar a este tipo de llamas”, apunta Sánchez Sanz. 

Según los investigadores, se necesitan más estudios de esta naturaleza para evaluar la seguridad relacionada con fugas en vehículos impulsados ​​por hidrógeno y otros dispositivos relacionados. Sobre todo cuando en el contexto actual, ante la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y luchar contra el cambio climático, parece necesario acelerar el desarrollo y uso de tecnologías de generación de energía basadas en hidrógeno. 

Referencia:

F. Veiga-López et al. “Unexpected Propagation of Ultra-Lean Hydrogen Flames in Narrow Gaps”. Phys. Rev. Lett. 124, 174501, 2020

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons.
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