Sensores fotónicos para vigilar tensiones en puentes de trenes y calor en vehículos espaciales

Sensores de fibra óptica de alta sensibilidad. Esta es la clave que ofrece la tecnología fotónica al unirse a la ingeniería civil para prevenir derrumbes de infraestructuras, como el ocurrido en el puente de Génova en agosto de 2018. La startup valenciana Calsens aúna el conocimiento de los ingenieros de Telecomunicaciones, especializados en fotónica, con los de Caminos para diseñar y fabricar sus propios sensores para monitorizar estas infraestructuras.

Esta spin off de la Universitat de Politècnica de Valenciana, fundada en 2013, surgió para crear sensores de fibra óptica que monitorizaran, en principio, estructuras civiles, aunque ahora también realizan proyectos para la Agencia Espacial Europea (ESA) e, incluso, para el sector de la tecnología sanitaria.

En la actualidad, por ejemplo, han implementado más de 300 sensores de fibra óptica en tres puentes para ferrocarril en la Comunidad Valenciana en una UTE con la consultora Applus. Con su tecnología, Calsens es capaz de medir en tiempo real los movimientos de su estructura, como vibraciones o tensiones, así como los cambios de temperatura.

Se trata de tres puentes ubicados en el norte de la provincia de Alicante de la empresa Ferrocarrils de la Generalitat Valenciana (FGVA), “bastantes antiguos”. El objetivo es “estudiar cómo se está comportando”, por lo que hay que monitorizarlos para comprobar su estado. “Cualquier puente grande de obra nueva ya incorpora este tipo de sensores”, pero con la actual tecnología fotónica también se puede implementar en infraestructuras ya construidas, como en estos tres casos.

Los datos que se recopilan “se envían a través de la fibra óptica instalada en los puntos más críticos de la estructura”. Esta fibra extendida, que funciona como sensor, está conectada a un equipo instalado que emite y recibe la luz fotónica.  

“Esa información se monitoriza en tiempo real y se manda a un centro de control vía 4G en las instalaciones de Calsens” para detectar si se registra alguna deformación o alguna variación térmica en la estructura de cada infraestructura.

Así, el empleo de la tecnología fotónica permite registrar las tensiones en el material de la estructura, no sólo de forma estática, sino también de forma dinámica. De este modo, se puede evaluar el impacto de todos los elementos de la estructura que se monitorizan y detectar los que pueden sufrir más tensiones al pasar el tren por ese tramo.

Tecnología médica y aeroespacial

Otro de los proyectos que están desarrollando ahora en su área de I+D es introducir sensores dentro de un catéter para asistir a un cirujano al indicarle la posición en la que avanza este instrumental por el cuerpo humano. Es un proyecto para el Hospital de Groningen y el departamento de Computación de la Universidad de Twente (ambos de Países Bajos).

En la instrumentación médica, los sensores de fibra óptica en lugar de ponerlos cada mucha distancia, como se haría en un puente, por ejemplo, “se ponen en cada centímetro”. Si esta fibra se instala en un pequeño brazo articulado va a informar al cirujano que lo maneja, “si la fibra va progresando de manera recta, si se va doblando hacia uno u otro lado o si se va comprimiendo”.

De este modo, el cirujano recibe información sobre cómo está penetrando el catéter o el endoscopio en el cuerpo del paciente, gracias a los datos que recibe de los sensores ópticos. Sales señala que están en proceso de investigación, ya que ellos proveen de estos sensores a los investigadores de los Países Bajos.

Por otra parte, esta startup, que forma parte del cluster tecnológico secpho, también ha trabajado en un proyecto para la Agencia Espacial Europea. “El vidrio de la fibra óptica es de mucha pureza y se funde a una temperatura muy alta, más allá de 1.400 grados. La ESA quería un sensor de temperatura que fuera capaz de seguir midiendo tras superar los 1.000 grados y no tuviera ninguna parte metálica”, explica Sales.

Hasta entonces se utilizaban sensores termopares que son capaces de medir temperaturas muy altas, pero están compuestos por elementos metálicos. “La ESA quería ver si éramos capaces de desarrollar un sensor capaz de captar temperaturas tan altas”, con el objetivo de examinar “diferentes materiales en pruebas de calor extremo durante un tiempo suficiente”. Se trataba de materiales para la cápsula de reentrada en la atmósfera terrestre.

Desde Calsens desarrollaron un componente con diferentes sensores distribuidos, no solo para medir temperaturas más allá de 1.000 grados, sino también para soportar oscilaciones de temperatura y seguir midiendo y transmitiendo esa información con alta precisión, destaca el responsable de esta startup.

Equipo multidisciplinar

Estos proyectos para sectores tan dispares son posibles, explica Seles, gracias a contar un equipo multidisciplinar. Una parte de esta spin off de la Universitat Politècnica de València está formada por ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, especializados en esta monitorización de estructuras y en materiales, y la otra por ingenieros de Telecomunicaciones. Así, se han unido para desarrollar esta tecnología fotónica y aplicar a la monitorización de procesos y estructuras.

De hecho, Salvador Sales, ingeniero de Telecomunicaciones, recuerda cuando en 2005 entró en el departamento de Caminos de la UPV para hablar de las ventajas de la fibra óptica para monitorizar las estructuras que sus ingenieros levantaban. Así, les explicó cómo se estaba investigando esta idea, incluso, en las regatas America’s Cup (la ‘Fórmula 1’ del mar).

Entre finales de los años 80 y principios de los 90, el equipo inglés de esta regata, recuerda Sales, “decidió monitorizar el mástil con sensores de fibra óptica para ver si sufre tensiones demasiado fuertes que puedan provocar su rotura, así como saber hasta qué punto se podía izar más o menos vela. Así surgió una de las primeras empresas especializadas en esta materia en Europa”.

El empuje de Sales y su equipo en la UPV ha impulsado la interacción entre estas dos ramas de la ingeniería, tanto que desde 2010 ya se explica el papel que pueden desempeñar los sensores de fibra óptica a los alumnos de Caminos.