Las llamas de hidrógeno se propagan en hermosos patrones fractales

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Las llamas de hidrógeno se propagan en hermosos patrones fractales

La imagen de la izquierda muestra la propagación continua del frente de llama, mientras que la imagen de la derecha muestra una propagación de tipo fractal. / Fernando Veiga-López y otros / Phys. Rev. Lett.

El hidrógeno es versátil, útil y… peligrosamente sorprendente. Un equipo europeo de investigadores encontró que los frentes de llamas de hidrógeno se propagan de manera eficiente incluso en condiciones de combustión adversas. El trabajo fue publicado en Physical Review Letters.

El equipo, dirigido por Mario Sánchez-Sanz en la Universidad Carlos III de Madrid, hizo el descubrimiento al observar cómo las llamas de hidrógeno logran acceder de manera eficiente a nuevo combustible al romper en patrones fractales. Sus resultados proporcionan nueva información para quienes diseñan celdas de almacenamiento de combustible de hidrógeno.

Almacenamiento

El hidrógeno está emergiendo rápidamente como una alternativa deseable a los combustibles fósiles porque simplemente crea agua cuando se quema. No obstante, su almacenamiento seguro también plantea desafíos importantes.

Los sistemas de almacenamiento son propensos a tener fugas y el gas es extremadamente difícil de detectar en entornos industriales, generando un peligro constante de explosión. Actualmente, se cree ampliamente que estos peligros se pueden evitar almacenando hidrógeno en espacios confinados y en mezclas de baja concentración con aire.

Los especialistas suponen que estas malas condiciones de combustión deberían apagar las llamas antes de que alcancen una gran proporción del gas. Sin embargo, las cosas no parecen funcionar así.

El experimento

El equipo de Sánchez-Sanz investigó este escenario de almacenamiento a través de una configuración que incluía dos placas verticales transparentes, separadas por un espacio estrecho.

Después de llenar dicho espacio con una mezcla de hidrógeno de baja concentración en el aire, encendieron el gas desde arriba o desde abajo. Luego siguieron el camino de los frentes de llamas resultantes tomando imágenes de los rastros de agua condensada que dejaron atrás.

Para espacios de menos de 6 mm de ancho, y con concentraciones de hidrógeno de alrededor del 5%, las llamas no se apagaron como el equipo esperaba. En vez de eso, se dividieron en células de propagación más pequeñas que estaban separadas por gas frío no quemado.

Fractales

En sus observaciones se revelaron dos modos de propagación distintos. En uno, los frentes de llamas se dividen en patrones fractales semejantes a las hojas de un helecho. Los movimientos de los frentes lucían como una propagación de colonias de hongos y bacterias en busca de nutrientes.

En el segundo modo de propagación, los frentes se dividieron en un número menor de frentes de llamas estables, las cuales se movieron en trayectorias rectas y constantes, como los patrones que ocurren durante la combustión de materiales sólidos delgados.

A través de simulaciones por computadora, Sánchez-Sanz y sus colegas determinaron que cada uno de esos patrones surge debido a la alta difusividad del hidrógeno, combinada con una pérdida extrema de calor en las dos placas. Asimismo repitieron sus experimentos con dos combustibles de hidrocarburos mucho menos difusores, en los que las llamas se extinguieron rápidamente por la pérdida de calor.

De igual forma, afirman que estos frentes de llamas fractales no se han observado antes. Todo indica que hay un conjunto completamente nuevo de dinámicas de llamas a estudiar. Finalmente, en términos de seguridad y manejo de gases, nada cambia realmente como resultado de esta investigación. Las reglas de por sí ya son muy cautelosas.

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