Ecuaciones para estudiar las fisuras de los metales

Cuando los esfuerzos se combinan con un entorno corrosivo que ataca las fronteras de los granos, aparecen las temidas grietas en los metales. En determinadas situaciones pueden sensibilizarse y acabar en desastres naturales. Por ello, hay que conocer todos los secretos que encierran. Andrés Díaz, investigador de la Universidad de Burgos (UBU), analiza el comportamiento de los aceros en presencia del hidrógeno. Un dato crucial, manifiesta, para muchos tipos de industria, ya que este elemento químico se encuentra en gran cantidad de compuestos. «El fenómeno que aquí estudiamos se asemeja a la corrosión, con la diferencia de que es más impredecible y rápido: se ha demostrado como los componentes industriales hechos de metal o aleaciones se rompen imprevisiblemente cuando están en contacto con el hidrógeno», aclara.

El proyecto se centra en un caso concreto: en el almacenaje de hidrógeno gaseoso a alta presión en depósitos cilíndricos. Y ¿por qué se necesita almacenar? Está presente desde la propulsión de naves espaciales y otros medios de transporte hasta la fabricación de fertilizantes.

Sostiene que todas las tecnologías de alta presión son un reto para la industria y para los investigadores debido a su potencial y difícil manejo. «Si a esto le sumamos el limitado conocimiento que existe sobre el hidrógeno en relación a los metales, diseñando un depósito que contenga hidrógeno en condiciones de seguridad, tenemos, sin duda, un proyecto innovador y unos objetivos ambiciosos».

La investigación se ha intentado abordar desde una gran cantidad de puntos de vista, sin olvidarse de la aplicación industrial final, es decir, el diseño de un depósito. El punto de partida ha sido comprender previamente qué está ocurriendo a nivel microscópico e incluso atómico. «No está muy claro qué efectos tiene el hidrógeno en el acero por lo que hemos tenido que recopilar la mayor cantidad de información posible en libros y artículos científicos publicados hasta la fecha», indica.

El vehículo para llegar hasta el final ha sido un modelo matemático, ya que realizarlo en un depósito de alta presión «no sólo es costoso económicamente, sino que es peligroso», puntualiza el investigador de la UBU. Por tanto, han trabajado con ecuaciones que describen cómo se comporta el hidrógeno y el acero; después han introducido esas fórmulas en un programa informático y así han simulado el comportamiento de un depósito. «Cuanto más preciso sea nuestro modelo matemático mejor podremos predecir qué ocurre en la realidad». Además, en el laboratorio han realizado pruebas con pequeñas piezas metálicas previamente expuestas a ambientes con hidrógeno, de tal forma que se pueden verificar las predicciones.

En su opinión, la principal ventaja del trabajo radica en el estudio y uso de aceros de alta resistencia. Este tipo de aceros soportan unas condiciones severas; en este caso, resisten mayores presiones lo que permite reducir el espesor y, con ello, el peso del depósito de hidrógeno. «El ahorro es significativo cuando lo comparamos con otro tipo de materiales más avanzados para almacenar hidrógeno –titanio, aluminio, fibra de carbono, materiales compuestos–», expresa Andrés Díaz, quien deja claro que el reto es evitar que estos aceros de alta resistencia se rompan debido al hidrógeno.

El grupo de Integridad Estructural de la Universidad de Burgos comenzó a abordar este tema en 2014 a partir de la concesión de un proyecto del Plan Nacional de I+D+i, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. La tesis que analiza esta situación comenzó en 2015.

El proyecto se ha desarrollado en colaboración con las universidades de Oviedo y Cantabria y surgió como continuación del estudio de fractura de los materiales que se viene haciendo en las tres universidades en las últimas décadas. Además, durante su etapa predoctoral estuvo tres meses en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, donde formó parte de un grupo especialista en la degradación de metales por hidrógeno. «Todo ello ha convertido este proyecto en el fruto de una amplia colaboración entre distintos centros de investigación, lo que da una idea de la dificultad para abordar el problema de forma individualizada», destaca.

En la fase que está el estudio aún no se han planteado salidas comerciales ni la implantación industrial directa. «Todavía queda mucho por comprender de estos procesos aunque el horizonte está claro: optimizar el uso de materiales y asegurar que los depósitos no fallen bajo las presiones del hidrógeno. Esto, obviamente, permitirá a la industria que implemente nuestro modelo ser más competitiva».

De cara al futuro, sostiene que pretenden dar continuidad a esta línea de investigación ya que, en su opinión, se encuentra en un punto de vista idóneo para realizar aportaciones significativas. «En estos meses trataremos de seguir mejorando los modelos matemáticos y sus correspondientes códigos de ordenador. No obstante, la meta a largo plazo es aplicar nuestro conocimiento sobre el hidrógeno, junto con nuestra experiencia en fractura e integridad de materiales, para prevenir fallos de componentes industriales», sentencia Andrés Díaz.