[Actualizado el 12 de noviembre de 2021. Las actualizaciones están de este color.]
Generalmente suelo hablar aquí de artículos que hacen avanzar la ciencia en algún aspecto que me interesa, pero el artículo que quiero resumir hoy trata sólo de unir el conocimiento en una revisión corta sobre dos cosas que me fascinan: explosiones de gases y la seguridad.
No se hasta que punto somos conscientes de la cantidad enorme de gases explosivos que rodean las actual civilización humana: desde gasolinas hasta alcoholes, que dejamos que se evaporen tranquilamente. El problema es que a veces esos vapores se concentran y provocan explosiones accidentales que pueden ser muy graves. El artículo que reviso habla precisamente de eso, de esas explosiones haciendo un recorrido histórico para luego centrarse en la física de esas mismas explosiones.
Empieza haciendo un recorrido histórico de las explosiones de gas antes del año 1920, donde como nota escatológica explica que un riesgo relativamente común en la antigua roma al ir a las letrinas era acabar con el culo chamuscado(1). Yendo a cosas más serias, aunque un culo chamuscado es algo serio, explica que los mayores riesgos se daban en la minas. Por eso hay varias fuentes que hablan del peligro de explosiones en las minas, explicando que las primeras lámparas de seguridad para ser usadas en las minas de carbón se desarrollaron como respuesta a un accidente en el que murieron 92 personas por una explosión de metano. Como sigue explicando, y con el desarrollo de barcos de vapor, las explosiones de los mismos debido a vapores inflamables empezaron a aparecer. El artículo cita dos casos, uno de ellos el primer viaje de un barco a vapor que explotó súbitamente, con investigadores citados en el artículo explicando que la causa más probable era el almacenamiento de aguarrás o aceite de trementina en una sala caliente, cerca del motor del barco. Continua explicando como éste y otros accidentes sobre la misma época, mediados y finales del s. XIX, llevaron a la formación de una ley de manejo de sustancias peligrosas en gran Bretaña en 1875.
Una sección posterior se centra en la explosión de 1920 de una barcaza del transporte de petróleo llamada Warwick donde murieron siete personas, entre ellas el abuelo del autor, el hermano del abuelo y su cuñado(2).
Se puede observar la fuerza de la explosión en las fotos siguientes, donde se ven tanto el diseño del barco como lo que quedó de él.
Después de transportar cerca de 191.000 Litros de petróleo, el barco necesitaba una reparación. Primero hubo que limpiarlo cuidadosamente, porque la reparación incluía soldaduras y ya se sabía que el petróleo y las soldaduras implicaban explosiones. Así pues, lo limpiaron primero con trapos de algodón y luego con vapor de agua aplicado a las paredes. Y el mismo día, lo llevaron a arreglar las tapas del sistema, con los depósitos aún calientes y llenos de vapor de agua mezclado con gases explosivos. Cuando la llama del soplete alcanzó el interior del depósito, explotó inmediatamente.
En otras ocasiones habían hecho el mismo tipo de operación, pero dejando que el barco se ventilara durante algunos días por casualidad. Por la misma casualidad, ese día no se hizo y siete personas murieron. Simultáneamente en Gran Bretaña y otros países se introdujeron nuevas regulaciones y sistemas de seguridad, pero las explosiones y accidentes continuaron sucediendo. Uno de los últimos accidentes que nombra es el de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon, que produjo una de los peores derrames de petróleo que se recuerda. La causa del mismo estaba en una explosión de gas inflamable que entró en contacto con los generadores diesel del barco.
Tras esta introducción histórica, comienza con la descripción del fenómeno físico en otra sección. Dice que una explosión es un fenómeno en el que el volumen del cuerpo se incrementa rápidamente, con ondas de presión asociadas por el movimiento del aire. Éstas ondas son las que provocan el sonido de las explosiones, tan característico. El origen de la explosión pueden ser varias cosas, pero es siempre la deposición de una gran cantidad de energía en un tiempo muy corto. Una de las mejores maneras de lograr esto es con la combustión de un gas o sustancia similar, por eso los accidentes con explosiones de gases combustibles son tan comunes.
Explica que las primeras investigaciones sobre el tema se desarrollaron en Francia en 1880, para acabar con el desarrollo de criterios sobre cuándo un gas combustible explotaría sólo, usando dos posibilidades según que fenómeno domine la dinámica, el movimiento del fluido: la convección, donde los fluidos estén bien mezclados, y fluidos donde la conducción, el transporte de calor, es dominante. El problema es que la mayoría de los casos son una mezcla de ambos factores.
El artículo comenta que en paralelo al desarrollo de estos modelos e ideas, también se desarrollaron las ecuaciones que gobiernan el movimiento de los fluidos, de tal forma que desde los años 50 se pueden resolver numéricamente las mismas usando técnicas de simulación o resolución de ecuaciones de fluidos por ordenador(3). Con ellas, los tres procesos físicos fundamentales para entender estas explosiones, la dinámica de fluidos (cómo se mueven), la termodinámica (cómo intercambian energía) y las reacciones químicas (cómo cambian unos compuestos en otros) pueden combinarse y resolverse en un ordenador. Pero el problema es que las escalas temporales y espaciales de estos tres procesos son muy distintas, lo que implica que introducirlo en un ordenador y hacerlo es un proceso muy complicado que no siempre es posible.
Por otra parte, trabajos posteriores distinguieron dos tipos fundamentales de explosiones: fuertes y débiles. Las fuertes son aquellas en las que un sólo punto tiene tal concentración de energía que inicia la explosión y por lo tanto, el frente de onda que la misma produce. Las explosiones débiles, por el contrario, tienen varias fuentes puntuales que terminan uniéndose en un sólo frente(4).
Partiendo de los tres fenómenos que son importantes en la explosión, trabajos teóricos pudieron delimitar los parámetros de los que depende que una mezcla gaseosa haga explosión o no: el tiempo que tarda la reacción química en calentar el fluido hasta la ignición, el tiempo necesario para la conducción térmica y el tiempo necesario para la convección material del fluido. Sus resultados se pueden resumir según la figura siguiente, donde en función del número adimensional de Rayleigh(5) se observan explosiones o no.
Tras continuar estudiando y modelando el fenómeno, según cuenta el autor, los mismos autores que hicieron el modelo previo añadieron un cuarto factor al mismo: la velocidad de la reacción química en transformar el reactivo en los productos finales. Es decir, la velocidad a la que se consume el generador de la explosión también es un factor importante. Así, el equivalente a la gráfica bidimensional anterior es una nueva gráfica tridimensional que separa las regiones donde las escalas temporales permiten la explosión de las que no.
Como indica el artículo, es notable que esta gráfica unifica fenómenos que parecen separados: la única diferencia entre una reacción exotérmica que caliente el gas y una que provoque su explosión es las relaciones entre sus escalas temporales, pero la misma descripción termo-cinética se puede aplicar.
Para finalizar la sección, el autor destaca que la revisión y teorías que presentó pasan por alto uno algunos fenómenos muy interesantes, como la transición de deflagración a explosión en un gas y la onda de choque que se produce(6), remitiendo al lector a revisiones reciente de esos temas, antes de comentar una relación entre las explosiones que acaba de revisar y otros fenómenos que parecen muy alejados: las explosiones de estrellas.
Comenta que la distinción fundamental entre una deflagración y una explosión es la velocidad de propagación de la onda sonora. En una deflagración, esa onda se propaga a menor velocidad que el sonido, y en una explosión, a mayor velocidad, siendo por lo tanto lo que se llama una onda de choque. En un artículo citado en esta revisión se demuestra que una combustión termonuclear en una estrella es cualitativamente similar a una onda de combustión química, una deflagración. Esto es así porque los mecanismos físicos que controlan ambos fenómenos son los mismos y no les importa demasiado detalles sobre la ecuación de estado u otros parámetros relevantes.
Termina el artículo con una sección un tanto pesimista, pero realista. Explica que gracias al avance en el conocimiento de las razones de las explosiones y como evitarlas, a lo largo del siglo XX se han desarrollado sistemas que permiten transportar líquidos inflamables sin grandes riesgos, mediante la inertización de la atmósfera donde está el líquido. Es decir, eliminando el oxígeno de esa atmósfera, es posible retardar la combustión hasta que no pueda ser explosiva. La pregunta entonces es porqué no están más generalizados estos métodos de seguridad en barcos, si en otras infraestructuras donde un incendio no es deseable se emplean sin problemas. De hecho, se puede comprobar que el número de accidentes de barcos en general y de víctimas en accidentes en barcos han disminuido con el tiempo, incluyendo todo tipo de barcos de carga, no sólo los que gaseros. La figura siguiente, del documento «Annual Overview of Marine Casualties and Incidents» de la Agencia europea de Seguridad Marítima(7) lo deja claro:
Cita por ejemplo archivos, subestaciones eléctricas, incluso coches de carreras. La respuesta es muy triste: porque a los dueños de los barcos les resulta más barato pagar las indemnizaciones y usando el dinero que el seguro les paga en caso de accidente, comprar un barco nuevo.
Lo que escribí cuando publiqué esta entrada no es verdad. Más bien hay un fuerte interés en evitar los accidentes, y las cifras demuestran que tanto su número como su gravedad descienden con el tiempo, a pesar de los problemas que hay en cuanto a banderas de buques, etc.
Concluye esta sección y el artículo comentando si la labor del científico debería incluir aspectos sociales sobre la investigación que realiza diciendo, y estoy de acuerdo, en que un científico tiene que pensar en los aspectos sociales del trabajo que hace, y como esos aspectos deberían o podrían ser insertados en la sociedad. A fin de cuentas, la persona que hace ciencia vive con otras personas en una sociedad.
El artículo se publicó en la revista Physics of Fluids, en el vol. 33: Thermo-kinetic explosions: Safety first or safety last?.
Notas:
(1) La expresión que emplea es «singed bottom», que traduzco como culo chamuscado.
(2) Está claro que el autor del artículo tiene un interés personal en la seguridad y las explosiones de volátiles.
(3) En inglés se suelen llamar estas técnicas CFD: Computational Fluid Dynamics.
(4) Según explican en el artículo, un tipo de explosión débil muy buscada es la que se produce en los motores de los coches, camiones y demás, que mueven el pistón debido a una explosión del combustible que empuja los pistones.
(5) El número de Rayleigh es un parámetro adimensional que especifica qué es más importante en la transferencia de calor de un fluido, si la conducción de energía o la convección de masa del fluido. Una muy buena definición esa en la Wikipedia en español: Wiki:Rayleigh.
(6) El autor, poéticamente, llama a esta onda de choque «bang».
(7) El enlace del documento: Revisión de la EMSA 2020.