image: Propagation of an "ultra-lean" hydrogen flame in a very narrow combustion chamber. The images on the left show a flame propagating vertically downward; those on the right are burning in the opposite direction. The dark markings show the path followed by the flame, while the lighter parts show the hydrogen that has not been burned. view more
Credit: Veiga-López, Physical Review Letters (2020).
Las llamas de hidrógeno pueden propagarse incluso con poco combustible, dentro de espacios sorprendentemente estrechos y se extienden conformando estructuras fractales. Ese es el inesperado comportamiento físico de este gas al quemarse que ha detectado un equipo científico liderado por investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). Estos resultados pueden ayudar a mejorar la seguridad de los dispositivos de generación de energía basados en hidrógeno.
El estudio, publicado en el último número de la revista Physical Review Letters, detalla los resultados de unos experimentos que han mostrado que las llamas de hidrógeno pueden sobrevivir en condiciones más extremas de lo que se pensaba anteriormente. En la investigación, liderada por Fernando Veiga, Eduardo Fernández-Tarrazo y Mario Sánchez Sanz, del Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la UC3M, han participado Daniel Martínez Ruiz de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), Mike Kuznetsov del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania) y Joaquim Grune de Pro-Science GmbH (Alemania).
"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 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. En este estudio los investigadores han demostrado 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 por ciento.
Estructuras 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. Y lo que comprobaron es 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 Mario Sánchez Sanz.
El hidrógeno se configura como una energía limpia y eficiente, por ello, las tecnologías de generación de energía basadas en él verán, en un futuro próximo, incrementado significativamente su uso. Por todo ello, "el diseño y el protocolo de seguridad de estas tecnologías tendrá que contemplar estos nuevos regímenes de propagación", apunta Daniel Martínez Ruiz, profesor de la ETSI Aeronáutica y del Espacio de la UPM.
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", añade Mario 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.
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Physical Review Letters