El Ice and Wave Tank de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Aalto, Espoo (Finlandia). Omicrono Espoo
Dentro del mayor tanque de hielo del mundo: así se estudia el futuro de los barcos y los aerogeneradores del Ártico
Visitamos en Finlandia una instalación donde el hielo se fabrica a medida para diseñar los buques rompehielos y las turbinas eólicas marinas.
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Los samis, el pueblo indígena de Laponia, son capaces de distinguir hasta 300 tipos de nieve y hielo según su calidad y textura, un conocimiento ancestral acumulado durante milenios de convivencia con el frío extremo.
A unos 2.000 km al sur, en Espoo (Finlandia), se encuentra la sede de la Universidad Aalto, uno de los principales centros de ingeniería y tecnología de toda Europa. Allí, en el interior de un aparentemente anodino edificio de ladrillo, sus responsables han construido su propio método para descifrar el hielo: un tanque de 40 por 40 metros y 2,8 de profundidad que replica las condiciones del mar helado con precisión de laboratorio.
El Aalto Ice and Wave Tank es una instalación sin parangón en el mundo, no sólo por su enorme superficie, sino porque combina dos disciplinas habitualmente separadas: los experimentos con hielo y con olas en un único espacio de planta cuadrada.
"Es una instalación de la que estamos muy orgullosos, es la más grande del mundo por superficie, y nos permite realizar trabajos que no se pueden hacer en ningún otro lugar", explica a EL ESPAÑOL - Omicrono Arttu Polojärvi, profesor asociado de Mecánica del Hielo en la institución, que ejerce como guía en el gélido interior del edificio.
Con el cambio climático generando estragos, provocando el deshielo de glaciares y el desprendimiento de enormes placas de hielo polares, lo que abre nuevas rutas para el tráfico marítimo, el tanque se utiliza para el diseño y la puesta en servicio de buques rompehielos y de estructuras como puertos, plataformas marítimas y aerogeneradores marinos.
Un océano helado a escala
Nada más entrar al recinto, el aire presenta un ligero y extraño olor a solvente. Es el etanol: cada dos años se añaden miles de litros al tanque, que se evaporan lentamente. Dado el enorme volumen de agua, cerca de 5 millones de litros, la concentración de etanol es muy baja, pero su presencia en el ambiente es inconfundible.
El proceso de fabricación del hielo es, literalmente, al revés que en la naturaleza. Mientras que en un lago o en el mar el hielo crece de arriba hacia abajo, en el tanque de la Universidad Aalto crece hacia arriba.
Exterior del edificio del tanque de hielo. Omicrono Espoo
Unas estructuras naranjas que atraviesan de lado a lado el tanque, conocidas como 'el puente', se desplazan sobre raíles rociando una fina niebla de agua. Esa pulverización se congela parcialmente en el aire y en la superficie del agua, formando una lámina delgada que se va acumulando capa a capa. "La temperatura de la sala durante este proceso oscila entre -11 y -12 ºC, o incluso menos", explica Polojärvi.
Una vez que la capa de hielo alcanza el grosor deseado, habitualmente entre 2,5 y 7,5 centímetros en los experimentos estándar, los técnicos ajustan la temperatura del recinto para optimizar las propiedades mecánicas del hielo.
"Es un proceso estrictamente controlado", apunta Polojärvi. "Puedo ir a los técnicos y decirles: 'Quiero estas condiciones de hielo de esta zona, con esta resistencia y este espesor', y ellos pueden crear el hielo a escala para mí. El resultado es un material tan blando que, durante una prueba, "se podría meter la mano en el tanque, atravesar la capa de hielo y recoger un poco, y se sentiría casi como un sorbete".
Bajo 'el puente' se desplaza un carro gris. Con el movimiento coordinado de ambos mecanismos, los técnicos pueden acceder a cualquier punto de la superficie del tanque. Durante los ensayos, en lugar de mover el hielo, se mueve el carro: así se simula el movimiento del hielo marino manteniendo la misma posición relativa, el método de prueba más habitual.
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La instalación también permite fijar estructuras en la orilla o en el fondo del tanque. Para ello dispone de "fondos marinos artificiales intercambiables que permiten ajustar la profundidad o añadir elementos tridimensionales", como grandes bloques de hielo o icebergs a escala, para estudiar cómo interactúa el hielo con geometrías complejas.
Como los investigadores no quieren perderse ningún detalle, utilizan diversas configuraciones de cámaras montadas en el propio carro, sin necesidad de que nadie entre al agua. "Lograr una buena visibilidad bajo la superficie consume gran parte del tiempo de prueba, ya que muchos de los fenómenos más relevantes ocurren precisamente ahí", según Polojärvi.
Por ese mismo motivo, el edificio no tiene ventanas, y es que la luz solar favorecería el crecimiento de organismos en el agua y reduciría la visibilidad. Cuando esta se deteriora hasta el punto de que impide las observaciones, se cambia el agua del tanque entero, una operación que se realiza aproximadamente cada dos años.
Un ciclo experimental típico dura dos días. El primero se dedica íntegramente a fabricar la capa de hielo. Al día siguiente, cuando sus propiedades son óptimas, se realizan primero pruebas de caracterización del material, como la resistencia, y luego los ensayos principales.
Los barcos a escala que se usan en el Ice and Wave Tank. Omicrono Espoo
Al final de la jornada, el tanque está lleno de hielo fragmentado. En ese momento, "unas plataformas grises se bajan al nivel del agua para empujarlo todo hacia una bandeja colectora". Pero no se desaprovecha nada: el hielo va a parar a un tanque situado bajo las oficinas, y el agua reciclada regresa al Ice and Wave Tank para iniciar un nuevo ciclo.
Barcos y aerogeneradores
La prueba más habitual es el ensayo de resistencia al hielo en un barco. La maqueta, a una escala aproximada de 1:30, con embarcaciones de unos cinco metros que representan buques reales de más de 100 metros, se arrastra con un cable y un motor mientras se miden las fuerzas.
Pero la planta cuadrada del tanque permite algo que los tanques convencionales, largos y estrechos, no pueden ofrecer: maniobras completas, con giros y salidas de canal.
El otro campo de investigación más habitual en los últimos años es el de las turbinas eólicas marinas en zonas heladas. En colaboración con la Universidad Técnica de Delft, el equipo de Polojärvi expone turbinas en miniatura a campos de hielo a la deriva.
Parque eólico marino de Orsted
"Lo que sucede es un problema típico de vibración estructural, donde la estructura comienza a vibrar y a moverse", algo que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar estas infraestructuras y, sobre todo, dónde situarlas. "En función de ese movimiento, la carga de hielo está cambiando todo el tiempo. Eso es lo que hace que el diseño de este tipo de estructuras sea muy, muy desafiante".
Esta línea de trabajo responde a una urgencia concreta: para que países como Finlandia alcancen la neutralidad climática, necesitan instalar parques eólicos marinos en zonas del Báltico que se congelan cada invierno.
Uno de estos parques puede ocupar cientos de kilómetros cuadrados y albergar cientos de turbinas, una masa tan densa que podría alterar la propia dinámica del hielo marino a su alrededor, afectando a rutas de navegación y operaciones de rompehielos.
Simulaciones por ordenador
Más allá de los ensayos físicos en el tanque, el grupo de Polojärvi también desarrolla simulaciones por ordenador que operan en una escala intermedia entre la ingeniería naval y la climatología.
Mediante el modelado de elementos discretos (DEM, por sus siglas en inglés), son capaces de simular zonas marinas de cien por cien kilómetros, como la región de Kvarken, en el Mar Báltico, con una resolución de un metro. "No creo que nadie más pueda ejecutar este tipo de simulaciones", asegura el investigador.
Estas capacidades cobran especial relevancia ante una paradoja que plantea el cambio climático: que haya menos hielo marino no significa que la navegación ártica sea más segura.
El tanque de hielo alcanza los 40 por 40 metros. Omicrono Espoo
El llamado hielo cálido, calentado por el aumento de temperaturas y siempre cerca de su punto de fusión, tiene propiedades mecánicas que aún no se comprenden del todo. Además, la fragmentación creciente del hielo genera campos de bloques rotos que se desplazan más rápido y resultan más impredecibles que una capa intacta.
A esto se suma que cada vez más barcos que no son rompehielos acaban navegando en estas condiciones. "Tenemos buques con capacidades insuficientes para moverse en el hielo que se enfrentan cada vez más a estas condiciones, porque los barcos de hoy en día tienden a estar optimizados para aguas abiertas, no para hacer frente al hielo".
Polojärvi, que lleva más de 20 años investigando el hielo y sus propiedades, prepara ahora junto a los demás miembros del equipo de la Universidad Aalto la próxima gran evolución del tanque: la instalación de máquinas de nieve que reproduzcan precipitaciones sobre la superficie helada. Esto resulta especialmente relevante para el desarrollo de barcos autónomos, cuyos sistemas de sensores deben operar con niebla o nieve en el aire.
