Detección de hidrógeno mediante sensores de fibra óptica
Potencial para una amplia gama de aplicaciones
El hidrógeno desempeña un papel fundamental en la política energética y climática de Alemania. En comparación con otras fuentes de energía líquida o gaseosa, hay que tener en cuenta requisitos de seguridad especiales para las aplicaciones con hidrógeno, ya que, además del riesgo de incendio, en determinadas condiciones puede surgir una mezcla explosiva de aire e hidrógeno por fugas en los depósitos o las tuberías. Para aumentar aún más los niveles de seguridad cuando se trata de hidrógeno, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones, Instituto Heinrich-Hertz, HHI, están trabajando en sensores basados en fibra óptica que pueden detectar el hidrógeno y son superiores a los sensores convencionales en muchos aspectos.
Si la concentración de hidrógeno en el aire supera un umbral del cuatro por ciento, que puede alcanzarse rápidamente si hay suficiente presión en un depósito de hidrógeno, una sola chispa es suficiente para desencadenar una explosión.
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Para alcanzar los objetivos climáticos que se han fijado y evitar el aumento del calentamiento global, todos los países tienen que reducir el consumo de combustibles fósiles en sus presupuestos energéticos lo antes posible. Cada vez se presta más atención a las tecnologías del hidrógeno como alternativa sostenible, especialmente en los sectores de la producción industrial y la movilidad. Dondequiera que se utilice, almacene, transporte y transfiera el hidrógeno, deben tenerse en cuenta las precauciones de seguridad adecuadas. Aunque el hidrógeno no es tóxico, pesa menos que el aire y, por lo tanto, sube a la superficie, pueden producirse situaciones peligrosas: En efecto, si la concentración de hidrógeno en el aire supera el umbral del cuatro por ciento, lo que puede ocurrir rápidamente si hay suficiente presión en un depósito de hidrógeno o si una sala no está bien ventilada, basta una pequeña fuente de ignición, una simple chispa, para desencadenar una explosión.
Pequeño, fácil de integrar y sin riesgo de seguridad inherente
Para evitarlo, es necesario adoptar un enfoque preventivo, y el Dr. Günter Flachenecker, científico principal de Fraunhofer HHI, sabe cómo hacerlo. En el departamento de laboratorio de la rama de Sistemas de Sensores de Fibra Óptica del Fraunhofer HHI en Goslar, el físico y su equipo están buscando nuevos enfoques tecnológicos para detectar el hidrógeno utilizando sensores de fibra de vidrio: "Los sensores de seguridad convencionales disponibles en el mercado para detectar el hidrógeno, que suelen ser sensores catalíticos de tono térmico o células electroquímicas, requieren una fuente de alimentación eléctrica. En el peor de los casos, ambas variantes podrían actuar como fuente de ignición y desencadenar la explosión que se supone que deben evitar, si el dispositivo o las líneas de suministro eléctrico tienen un defecto", explica Flachenecker. "Nuestros sensores de fibra óptica no tienen principalmente este riesgo. Al mismo tiempo, no requieren un cableado complejo, son pequeños y pueden integrarse fácilmente en una gran variedad de estructuras de la planta o el vehículo que se va a supervisar."
Las fibras ópticas están prácticamente predestinadas a las aplicaciones sensoriales en un entorno relacionado con la seguridad, ya que son robustas y tienen un diámetro reducido de alrededor de un cuarto de milímetro. Para que una fibra óptica se convierta en un sensor de hidrógeno, es necesario modificarla en varios puntos. Para ello, primero se utiliza un láser para imprimir ciertas estructuras en el núcleo de la fibra óptica, creando lo que se conoce como rejilla de Bragg de la fibra, una modulación periódica del índice de refracción que garantiza que la luz se refleje en una determinada longitud de onda.
A continuación, se aplica un revestimiento funcional especial alrededor de la parte sensorial de la fibra de vidrio para garantizar que ésta reaccione específicamente al hidrógeno: "Trabajamos con capas catalíticas, por ejemplo, paladio o aleaciones de paladio", dice Flachenecker. "El paladio tiene la capacidad de absorber el hidrógeno, como una esponja. En cuanto las dos sustancias se encuentran, el hidrógeno se desintegra en sus fragmentos atómicos y los átomos de hidrógeno que se liberan penetran en la estructura cristalina del paladio. Esto provoca un alargamiento en la fibra óptica, que puede medirse instantáneamente como un cambio en las señales de luz reflejadas a través de la rejilla de Bragg de la fibra incorporada. En cuanto la concentración de hidrógeno en el aire vuelve a bajar, el hidrógeno se libera del paladio". Esto significa que no se daña el recubrimiento y que el sensor puede reutilizarse. Flachenecker subraya que el proceso descrito sólo funciona porque los átomos de hidrógeno son muy pequeños. Otras sustancias no pueden penetrar la capa de paladio de este modo.
Potencial para una amplia gama de aplicaciones
Sin embargo, éste no es el único método que los investigadores han probado. Por ejemplo, también es posible detectar el hidrógeno con fibras de vidrio cuyos revestimientos de fibra han sido grabados, o con una capa muy fina de nanopartículas aplicada a la superficie de la fibra de vidrio. "Es un campo de juego muy grande y hay muchas cosas que queremos probar", afirma Flachenecker. "Es fundamental que encontremos formas de detectar el hidrógeno que sean lo suficientemente rápidas como para evitar accidentes y que respondan de forma fiable dentro del rango de sensibilidad requerido. En este sentido, no cabe duda de que estamos avanzando mucho en este momento".
En la práctica, por ejemplo, los nuevos sensores de fibra óptica podrían convertirse en parte integrante de los vehículos impulsados por hidrógeno y utilizarse para vigilar las estaciones de repostaje de hidrógeno, los talleres de reparación de automóviles o los electrolizadores. Basándose en esta tecnología, se puede ampliar fácilmente una red de sensores más amplia que supervise la infraestructura de hidrógeno en muchos puntos simultáneamente. La electrónica para registrar los datos de medición, por ejemplo un espectrómetro para la evaluación óptica de los sensores de fibra óptica, podría instalarse en un lugar seguro a cualquier distancia de los sensores. Si se supera una determinada concentración de hidrógeno y el sensor lo detecta, se activa el sistema de gestión de alarmas de la aplicación correspondiente y se pueden poner en marcha en pocos segundos medidas específicas, como una señal de aviso acústica, el cierre de válvulas o la apertura de ventanas.
El proyecto de investigación en curso, dirigido por Günter Flachenecker, está financiado por el Ministerio Federal de Economía y Acción Climática de Alemania y se lleva a cabo en colaboración con una empresa local de protección contra incendios. Comenzó hace dos años y concluirá en verano, cuando finalice una prueba de campo en la que se están instalando los sensores de fibra óptica en los camiones. Hay planes para un proyecto de seguimiento en el que se probarán los nuevos sensores con mayor detalle y se darán más pasos preparatorios hacia la certificación y la comercialización. El objetivo es claro: poder trabajar con el hidrógeno de forma aún más segura y sin provocar accidentes.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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