Una investigación europea se enfrenta a los retos de las pruebas con fuego
El escudo térmico de un vehículo espacial que entra en una atmósfera planetaria y la biomasa forestal en aplicaciones de energía renovable se someten a un proceso físico y químico autosuficiente conocido como pirólisis. Caracterizar la pirólisis en estos materiales porosos es fundamental para el diseño óptimo tanto de sistemas de protección térmica (TPS, por sus siglas en inglés) para misiones espaciales como de reactores de pirólisis que optimizan la producción de biohidrocarburos y carbono sólido. Con el apoyo de una beca individual de investigación del programa Acciones Marie Skłodowska-Curie, en el proyecto PATO se combinó satisfactoriamente y de manera única el estudio experimental y teórico de estos dos ámbitos fundamentales.
Vinieron del espacio exterior
En 2009, Jean Lachaud, ahora profesor adjunto de la Universidad de Burdeos, comenzó a escribir una herramienta de simulación numérica para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) llamada «Porous material Analysis Toolbox» (PATO, «Conjunto de herramientas de análisis de material poroso») para el estudio de los materiales porosos utilizados en los TPS. Basado en el «software» de dinámica de fluidos computacional de código abierto OpenFOAM, PATO se ha distribuido a 20 grupos de los Estados Unidos y Europa desde 2012, principalmente para proyectos de la NASA y la Agencia Espacial Europea (AEE). Esta colaboración sigue en curso. Lachaud sigue publicando actualizaciones en nombre de la NASA 2 veces al año, y la asistencia al usuario estándar es gratuita. En 2014, Lachaud consolidó su plan de utilizar PATO para modelar la pirólisis de la biomasa y desarrollar modelos predictivos y un innovador reactor de pirólisis. En ese momento, el proyecto PATO, respaldado por el programa Acciones Marie Skłodowska-Curie, se puso en marcha con Lachaud como beneficiario de una beca de las Acciones Marie Skłodowska-Curie y Azita Ahmadi, de la Gran Escuela de Tecnología (ENSAM), como coordinadora y supervisora del proyecto. «El proyecto PATO se centró en obtener mejoras significativas de los modelos de pirólisis existentes, con el apoyo del diseño, la construcción y el uso de una instalación experimental específica, para caracterizar plenamente las reacciones químicas en medios porosos», afirma Lachaud.
Historia de dos resinas
Los TPS de las estructuras aeroespaciales suelen estar hechos de compuestos fenólicos de carbono que consisten en fibras de carbono rígidas de baja densidad impregnadas en resina de polímero fenólico. El compuesto de lignocelulosa de la madera tiene una estructura similar, donde las fibras de celulosa y hemicelulosa están «conectadas» por medio del polímero orgánico lignina. Lachaud lo explica: «A medida que se propaga el calor desde la capa límite hasta el interior del material, en el estado cuasiestable, la evolución del material virgen puede dividirse en cuatro zonas: secado, pirólisis, agrietamiento y coquización, y ablación y combustión. En la modelización se abordaron las limitaciones en los métodos de cuatro fenómenos fisicoquímicos que se producen en los materiales de TPS durante la entrada en la atmósfera y en la biomasa durante la pirólisis».
La investigación sobre la pirólisis se caldea
Uno de los objetivos fundamentales de las becas individuales de investigación de las Acciones Marie Skłodowska-Curie es la reintegración en un puesto de investigación a largo plazo en Europa, incluidos los países de origen de los investigadores. Tras un año fructífero con la ENSAM y su asociación con el Departamento de Fluidos de Transferencia de Energía del Instituto de Mecánica e Ingeniería de la Universidad de Burdeos, Lachaud aceptó el puesto de profesor asociado. Aunque este hecho acortó el proyecto PATO, el trabajo pionero continúa. Lachaud resume: «Las actualizaciones de la plataforma PATO continúan, al igual que las simulaciones del reactor de pirólisis. Se espera que las mejoras del prototipo de reactor conduzcan a la comercialización de los reactores de pirólisis con una importante repercusión tanto en la investigación como en las aplicaciones industriales de los materiales porosos».
Palabras clave
PATO, pirólisis, material poroso, TPS, reactor de pirólisis, NASA, biomasa forestal, escudo térmico, resina, sistema de protección térmica
