El Cedazo

Ferrari de Felipe Massa (Flickr de julien.reboulet, cc-by-nc-sa)

Tras escribir un comentario sobre la recuperación de energía en artículo sobre los asteroides troyanos de El Tamiz, me di cuenta de que quizá no todo el mundo tenía claro qué era eso del KERS. Adelanto que yo tampoco conozco en detalle cómo funciona (si alguien lo conoce bien, que se anime a escribir un artículo), pero podemos aprovechar la pregunta para estudiar su fundamento físico.

El KERS fue un dispositivo que se implantó hace relativamente poco en la Fórmula 1, que permitía a los coches que lo tenían desarrollar un puntito más de potencia en algunos momentos, lo que les permitía adelantar a otros coches equivalentes, pero sin KERS (porque no todos lo tenían), sobre todo en tramos del circuito donde la velocidad punta fuera decisiva. En su momento se discutió mucho sobre su legalidad dentro del reglamento de la Fórmula 1, pero ahora parece haberse aceptado y todos los coches lo llevan (aunque con ciertas limitaciones por parte de los organizadores).

Os podéis imaginar que con la cantidad de dinero que mueve la Fórmula 1, los detalles de su funcionamiento son secretos de primer orden… pero vaya… algo podremos decir.

Lo mejor entonces es quizá ver cuál es su necesidad, y luego buscar la forma de abordar la solución.

Su necesidad se puede enfocar desde dos puntos de vista: desde el punto de vista físico/teórico y desde el punto de vista de las carreras de Fórmula 1. Veamos primero la necesidad física/teórica.

Empecemos por un coche que está parado. Su energía cinética es 0 J, obviamente. Cuando lo aceleramos, empieza a ganar energía cinética. Pero esa energía no viene de la nada, hemos tenido que dársela con un motor… habitualmente, quemando hidrocarburos de forma más o menos sofisticada (es decir, quemando gasolina en un motor de combustión interna).

El coche va entonces a 300 km/h… llega a una curva… frena… y pierde toda esa energía cinética. Al salir de la curva vuelve a acelerar, otra vez consumiendo energía de los hidrocarburos, ganando energía cinética de nuevo… hasta que llega a otra curva y vuelve a frenar, perdiéndola otra vez. Y así una y otra vez.

Como es obvio, no es que la energía cinética desaparezca, sino que se transforma en otra forma de energía. La forma más común de frenar el coche es hacer que algo roce contra las ruedas, de modo que las ruedas se frenan, y el coche con ellas. Todos hemos montado alguna vez en bici, y hemos visto sus frenos:

Pastillas de freno de una bici (flickr de Yortw, cc-by-nc)

Pues en un coche es más o menos lo mismo: las pastillas rozan contra la rueda, frenándola… y obviamente la energía no desaparece, sino que se convierte en calor, mucho calor, desperdiciándose vilmente.

¿No sería maravilloso que pudiéramos aprovechar esa energía que se desperdicia? Ahí es donde entra el KERS: Kinetic Energy Recovery System, sistema de recuperación de energía cinética.

El KERS es un sistema que en vez de disipar la energía cinética en forma de calor, la convierte a otra forma de energía, para que pueda ser aprovechada más adelante. Ahora veremos más detalles, pero primero… ¿por qué es tan importante esto para la Fórmula 1?

Al parecer los organizadores de la competición definen limitaciones que los motores de los coches deben cumplir. Una es sobre la cilindrada máxima que pueden tener y las revoluciones máximas a las que pueden girar, y hay mil limitaciones y normas más. El caso es que el KERS permite recuperar energía durante la frenada, y reenviarla de nuevo hacia las ruedas en la aceleración, pero sin cambiar el motor (y por lo tanto cumpliendo las restricciones que impone la organización). Algunos opinaron en su momento que eso era incumplir el espíritu de la normativa de la competición, pero el caso es que al final se acabó aceptando y con el tiempo todos los equipos lo montan.^[1]

Para entender cómo funciona el KERS, podemos empezar por el siguiente dibujo.

Campo eléctrico (V) inducido por el campo magnético variable

Los bloques azul y rojo son imanes (no es que sean monopolos magnéticos, no te confundas por el color… solo están coloreados para poder identificarlos en la secuencia), y el cuadrado negro del centro es simplemente un pedazo de cable (se le suele llamar espira). Sabemos, porque nos lo ha contado Pedro, que un campo magnético variable produce un campo eléctrico. Así que si ponemos la espira en el centro y hacemos girar el imán alrededor de ella, estaremos haciendo que el campo magnético cambie, y por lo tanto se induce un campo eléctrico en la espira. Si conectamos los imanes a las ruedas del coche (para que giren) y la espira a una batería (para que se acumule), ya tenemos inventado un tercio del KERS.^[2]

Esto no es novedoso. Al fin y al cabo las turbinas de las centrales eléctricas funcionan según el mismo principio: el agua o el vapor mueven unas aspas que a su vez mueven un imán que induce un campo eléctrico en una espira. No solo las turbinas de las centrales eléctricas, sino que el alternador de los turismos ya funciona más o menos igual: vamos cargando la batería según se mueven el motor al circular.

La gracia es que a la vez que se produce ese campo eléctrico, se produce una fuerza (mecánica) que se opone al giro. La razón es que, una vez que empieza a circular corriente por el cable como consecuencia del giro (porque hemos conectado algo a la espira, cerrando el circuito), el propio cable genera a su alrededor un campo magnético (así funcionan los electroimanes, por ejemplo). Esto significa que ya no tenemos dos imanes y una espira, sino que tenemos tres imanes: los dos imanes originales y la espira por la que circula corriente. Pero la espira no es un imán cualquiera.

Campo magnético (en amarillo) inducido por la corriente que circula. No está a escala, solo es cualitativo.

La espira del dibujo podría convertirse en un imán con el polo norte hacia arriba y el sur hacia abajo o viceversa, claro; sin embargo, puesto que la corriente se está generando debido al campo magnético de los dos imanes, se da la circunstancia de que la corriente en ella siempre irá dirigida de modo que los polos del imán se opongan a la causa que creó la corriente (algo conocido como ley de Lenz, que Pedro aún no nos ha contado, pero que lo hará en algún momento del futuro). En cierto sentido, es como si el campo magnético inducido en la espira tratase de equilibrar la perturbación que lo creó y dejarlo todo como estaba al principio. Como consecuencia, el imán en el que hemos convertido la espira va cambiando de polaridad constantemente según giran los imanes, de modo que siempre atrae a los dos imanes “hacia atrás” en su movimiento, con lo que los imanes se van frenando en su giro si nadie lo impide.

Esto no debería sorprendernos: los imanes girando tienen una determinada energía cinética. Si al girar le dieran energía eléctrica a lo que haya conectado a la espira, sin que ocurriera nada más, estaríamos generando energía de la nada… y eso no es posible… ¿de dónde sale esa energía, entonces? De que la energía cinética de los imanes se reduce. Es decir, se frenan. Si dejamos que lleguen a pararse, habremos convertido toda la energía cinética en energía eléctrica en la espira.

Vale, ya tenemos otro tercio del KERS inventado: al poner unos imanes (conectados a las ruedas) girando alrededor de una espira que está conectada a una batería, los imanes (y con ellos las ruedas) se frenan.^[3]

“Un momento.”, oigo decir al más astuto de nuestros lectores, ” ¿No habías dicho que el alternador del coche funciona igual? ¿Eso quiere decir que el alternador está frenando al coche? ¿Entonces, cuál es la diferencia entre el alternador y el KERS?”.

Pues sí, efectivamente, el alternador del coche lo frena. ¿Quién te ha dicho que no lo hace? Lo que ocurre es que la energía necesaria para cargar la batería del coche es mucho menor que la que produce el motor, y entonces casi no se nota. Pero sí, lo frena un poquito.

La diferencia es que el alternador simplemente se conecta a las ruedas y genera energía eléctrica,^[4] mientras que en el caso del KERS la espira se introduce más o menos entre los imanes, según el piloto pisa mucho o poco el freno. Si lo pisa a fondo, la espira se introduce completamente entre los imanes, y el efecto es máximo. Si lo pisa solo un poco, solo se introduce ligeramente entre los imanes y su efecto es pequeño. Y además, el KERS está pensado específicamente para esto, no solo para cargar la batería del coche, así que se diseña mucho más potente.

De hecho, las dinamos de las bicis también funcionan según el mismo principio físico. Hoy en día es mucho más habitual llevar simplemente una linterna a pilas en la bici, pero antaño se solía llevar una dinamo que mediante algún artificio mecánico se podía conectar o no a la rueda.

Dinamo de una bici (flickr de feesta, cc-by-nc-sa). Si te fijas con mucho cuidado verás que no está en contacto con la rueda.

Pues bien, nuestros ciclistas recordarán que cuando la dinamo estaba conectada, costaba más mover la bici. Lo cierto es que cuando empecé a estudiar siempre sospeché que era más bien la (escasa) calidad de los componentes mecánicos de la dinamo lo que frenaba mi bici, más que el efecto inductivo, pero bueno.

Bueno, pues ya solo queda aprovechar esa energía eléctrica que hemos acumulado en la batería para dar ese puntito de gas adicional. Eso es sencillo: podemos conectar la batería a un motor eléctrico, unir ese motor de alguna forma a las ruedas y listo.^[5] En realidad, supongo que ni siquiera hará falta eso, porque una turbina y un motor son básicamente la misma cosa, pero al revés… pero vaya, solo estoy suponiendo.

Así que ya tenemos el KERS: cuando el piloto frena, en lugar de con los frenos convencionales, frena con estos frenos especiales (se suelen llamar genéricamente “frenos regenerativos”), cargando unas baterías. Luego, cuando necesita puntualmente más potencia, invierte el proceso, activando un motor eléctrico que se suma al motor de combustión y dándole un empuje adicional que puede resultarle decisivo para un adelantamiento. Dichas baterías se descargan rápidamente, pero no pasa nada, porque en las próximas frenadas se volverán a cargar.

Por cierto, que esto no es algo exclusivo de la Fórmula 1: existen turismos comerciales que utilizan sistemas parecidos, aunque no suelen usarlo para aumentar la velocidad del vehículo después, sino para cargar las baterías principales (en lugar de con un alternador convencional). También es hoy por hoy de uso común en ferrocarriles.

Y ya a modo especulativo… ¿se nos ocurre alguna alternativa de hacer esto mismo? Bueno… alguna hay. Para empezar, podríamos intentar aprovechar el calor disipado por los frenos convencionales. Existen materiales que, cuando se someten a diferenciales de temperatura, producen energía eléctrica. Su eficiencia es patética de momento, pero quizá en el futuro…

Otra forma podría ser aprovechar la energía cinética para comprimir algún gas, que pudiera acumularse en forma comprimida y se liberara luego cuando fuera necesario para mover las ruedas. En nuestros turismos ya tenemos el compresor del aire acondicionado, que aprovecha la potencia del motor para comprimir el gas refrigerante (obviamente, frenando al motor a la vez, por eso notamos que el coche tiene menos fuerza cuando tenemos el aire acondicionado puesto), y que se usará luego para enfriar el interior del vehículo al expandirse. Usar un sistema similar para acumular algún gas a presión podría no resultar descabellado.

Seguro que si pensamos un poco se nos ocurre alguna otra forma de acumular energía durante la frenada para usarla luego…

1. Ahora bien, el KERS tampoco es gratuito en términos de peso, por lo que dependiendo del tipo de circuito puede que ese puntito de potencia de más no compense el incremento de peso, y a veces lo ponían y a veces no, dependiendo de la carrera. Luego se dieron cuenta de que andar quitándolo y poniéndolo afectaba al reparto de pesos, y este a la aerodinámica, que es uno de los factores críticos de la carrera, y todos los equipos punteros han acabado poniéndolo siempre. [↩]
2. En realidad pueda que lo que permanezca fijo sea el imán y lo que se mueva sea la espira; o puede que la espira rodee al imán… pero la idea física es la misma. Y siempre siempre hay muchas vueltas de la espira, como una bobina, no una sola. Pero para entender el concepto, es mejor ese dibujo simplificado. [↩]
3. En realidad, los monoplazas de Fórmula 1 también llevan frenos convencionales, porque a velocidades bajas el KERS casi no frena. [↩]
4. En realidad ni siquiera esto es cierto… solo lo hace a veces, cuando la batería no está llena. [↩]
5. Bueno, sencillo de explicar. Además no solo hay que llevar ese motor eléctrico a las ruedas, sino que hay que hacer que su efecto se sume al del motor de combustión, en lugar de molestarse uno al otro. Por estas cosas es por lo que los ingenieros y mecánicos que trabajan en la F1 cobran una pasta gansa. [↩]

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