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Volcanes y tráfico aéreo

La erupción de un volcán situado bajo el glaciar Eyjafjalla, al sur de Islandia, ha producido una nube de ceniza y polvo que  ha alterado el tráfico aéreo de gran parte del norte de Europa y ha obligado a cancelar miles de vuelos en todo el continente. Reino Unido, Noruega, Dinamarca y Bélgica han cerrado su espacio aéreo, Los vuelos también se encuentran afectados en Holanda, Suecia, Irlanda, Finlandia y Polonia a causa de la nube de cenizas, que continuará extendiéndose en las próximas horas y obligará al cierre de otros aeropuertos de Europa occidental y central como los del norte de Francia. En España también se han cancelado numerosos vuelos con destino norte de Europa.

En la siguiente imagen se ve la evolución de la nube de cenizas :

La noticia me ha interesado y ha hecho que recuerde ciertos conocimientos acerca de los motores de reacción, qué tiempos aquellos cuando tenía que estudiar sus componentes, realizar cálculos sobre sus características, condiciones de trabajo, geometría…. TODO ABSOLUTAMENTE OLVIDADO, COMO SI NO LO HUBIERA ESTUDIADO NUNCA. Así que he vuelto la vista atrás, en su sentido más estricto, he tomado de mi estantería uno de los libros que aún conservo de ese período (“Motores de reacción” de Martín Cuesta Álvarez), ahora también me pregunto dónde estarán mis apuntes, supongo que más que reciclados; y he intentado recordar que es un turborreactor y como funciona, así como el efecto que puede tener el polvo volcánico en las aeronaves (así las llamaban en vez de aviones o cacharros que vuelan).

Bueno a ver si soy capaz de no liarme mucho, empecemos por el origen del problema: la ceniza volcánica esta compuesta mayoritariamente por restos vítreos, las presiones y el calor a la que es sometida la roca en el volcán y durante la erupción producen cristales muy duros,  y roca pulverizada, muy abrasiva compuesta fundamentalmente por materiales silicios. La temperatura de fusión de estos materiales se encuentra en torno a los 1100 ºC. Esta temperatura está por debajo de las temperaturas de operación de los motores a reacción con empujes a valores de crucero (aprox. 1500 ºC), velocidad de vuelo normal; y está acompañada de soluciones gaseosas de dióxido de sulfuro (que por hidratación y oxidación se convierten en ácido sulfúrico) y cloro (ácido clorhídrico) con lo que también tenemos pérdida de oxígeno para la combustión.

La amenaza mas seria a los aviones de transporte a reacción es el efecto dañino que la ceniza volcánica tiene en los motores; Por otra parte esmerila los vidrios de cabina, la estructura y a las superficies de vuelo; atasca el sistema estático de la sonda de Pitot; penetra en los sistemas de aire acondicionado y de enfriamiento de equipos; contamina a las unidades de aviónica y eléctricas, y los sistemas hidráulicos, de combustible y de detección de humos de las bodegas de carga.

Los primeros dos o tres días posteriores a una erupción volcánica son especialmente críticos porque se pueden encontrar altas concentraciones de cenizas conteniendo partículas de hasta 10 micrones de diámetro aproximadamente. A partir del tercer día, se asume que si la ceniza es aun visible por el ojo o por datos de satélite todavía representa un peligro para las aeronaves.

Como dato y sin entrar en detalle, el funcionamiento básico de un turborreactor consiste en absorber aire por el orificio de entrada mediante un compresor (Los alabes que se pueden ver en las entradas de los motores a reacción) que lo comprime e impulsa hasta la cámara o cámaras de combustión donde se le inyecta el combustible en forma atomizada que da lugar a una combustión que eleva la temperatura del gas formado. Esta mezcla de aire y gas caliente pasan a través de una turbina  a la que le imprimen una rotación la cual transmite al compresor mediante un eje central. Entonces los gases calientes comienzan su expansión saliendo por la tobera dando lugar a un empuje por el principio de acción-reacción.

Hay básicamente 3 efectos que contribuyen al daño general del motor.

A.- El primero y más crítico deriva del punto de fusión de la ceniza volcánica, que puede fundirse y depositarse en las zonas calientes del motor a reacción, tales como los alabes de turbinas y vanos de alta presión de las salidas de toberas. Esto reduce drásticamente el área de garganta de entrada de la turbina de alta presión, causando el incremento de la presión estática del quemador y de la presión de descarga del compresor, que puede causar la parada del motor. El efecto puede por si solo causar una pérdida de empuje inmediata y posibles llamaradas en el motor.  Antiguamente se pedía a los pilotos que aumentasen la potencia del motor para salir de la zona de gases, hoy en día se sabe que es mejor disminuir la potencia para que la temperatura del motor caiga a  valores que impida la fusión de las partículas volcánicas, interesa tener los motores a temperatura suficiente para permitir el vuelo (empuje neutro) pero que no sobrepase los 600-800 ºC.

Si se produce la caida de potencia por que se ha acumulado ceniza volcáinica fundida en los vanos de las toberas lo mejor es apagar los motores y dejar que se enfríen los elementos depositados, que se vuelven muy quebradizos a temperatura ambiente y se desprenden fácilmente. Al reencender los motores los repentinos esfuerzos térmicos y de presión del chorro de aire durante el proceso de reencendido junto al enfriamiento depósito de ceniza cuando el motor es reducido a mínima potencia suelen quitar la mayor parte del material depositado.

B.- En segundo término, el poder abrasivo de la ceniza volcánica también erosiona las guías y extremos de alabes del rotor del compresor fundamentalmente en la etapa de alta presión, causando la perdida de la eficiencia de la turbina de alta presión y del empuje del motor.

Los principales factores que afectan a la extensión de la erosión en los alabes del compresor son la dureza de la ceniza volcánica, su concentración, el tamaño de las partículas, la velocidad de impacto, la configuración de empuje y la protección del núcleo del motor. Esto requiere más tiempo en contacto  con la nube para que pare el motor. El problema es que los daños suelen ser permanentes e irreversibles.

C.- En tercer lugar, la ceniza volcánica puede taponar parte de los sistemas de combustible y de enfriamiento, pueden incluso taponar los generadores de flujo que atomizan el combustible.

Por todo ello y con la experiencia de incidentes por estas causas en el pasado, se han tomado las medidas de seguridad que ya conocemos, cancelación de vuelos y el seguimiento estricto de los protocolos internacionales de actuación cuando se dan estás situaciones.

ACTUALIZACIÓN A 09-05-2010

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