La revolución de los ferrocarriles

2006/04/01 Unzueta Garcia, Hibai - Telekomunikazio-ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

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En los trenes clásicos, la locomotora produce tracción, pero los vagones asociados no tienen tracción y se desplazan impulsados por la locomotora. Además, los vagones suelen ser totalmente independientes, con un bogie (estructura de recogida de cuatro ruedas) en cada extremo, con un total de ocho ruedas por coche. Esta formación adquiere un gran peso, sobre todo si se utiliza la estructura de vagones de acero tradicional. En los accidentes, al ser los vagones independientes entre sí, se rompen primero los enganches entre ellos. En consecuencia, a menudo se produce un efecto de acordeón, lo que agrava aún más la situación.

La industria del transporte actual, combinando conceptos probados en la última década, ha desarrollado nuevas ideas. Por un lado, en el esquema de trenes articulados, un vagón separa el bogie con el lateral. Esto significa que los vagones no son independientes y, por tanto, seguirán unidos en un accidente.

Esta afirmación ha sido posible en todos los accidentes TGV que se han producido hasta la fecha. La salida del tren del carril ha quedado completa y alineada con los carriles en todos los casos, protegiendo así a los pasajeros. Este concepto tiene más ventajas, como la reducción del peso y del ruido de rodadura. Un tren clásico de diez coches tendrá 20 bogies, mientras que un tren articulado sólo tendrá 11. Al ser los bogies elementos pesados, la reducción de peso es evidente, lo que permite aumentar la velocidad y reducir los costes de mantenimiento.

Otro concepto con múltiples ventajas es el de la tracción distribuida. En este caso se propone la ubicación de los motores a lo largo de todo el tren. Por un lado, aumentan las fuerzas de adhesión entre ruedas y raíles, ahorrando energía. Por otro lado, al no existir locomotora, se consigue más espacio para pasajeros con la misma longitud y peso.

Sin embargo, según el investigador de la Escuela de Ingeniería de Birmingham, Ryo Takagi, el frenado regenerativo ( regenerative braking ) o eléctrico es el que aporta una ventaja total a esta forma de tracción. En el frenado regenerativo, los motores de tracción se utilizan como generadores devolviendo la energía obtenida a la red eléctrica. Además, al reducir el uso de los discos de frenado se produce un desgaste más lento, lo que reduce los costes de mantenimiento.

Nuevos materiales y estructuras

Hasta la fecha se ha utilizado como material de construcción de vehículos el acero, resistente pero demasiado pesado. En la actualidad, sin embargo, con el objetivo de reducir el coste por pasajero y los vertidos contaminantes, se tiende a aumentar el uso de trenes de dos plantas. Para su construcción se recomienda utilizar estructuras más ligeras de compuesto de aluminio como en el TGV Duplex o en el prototipo Elisa (AGV).

Además, la empresa finlandesa Fibrocom ha desarrollado un material ligero y resistente llamado channel composite. Para mantener el material firme se utilizan unas estructuras 3D especiales. En adelante, junto con Fibrocom, Talgo también comenzará a producir trenes de dos plantas construidos con este material. Es el primer diseño del mundo que mantiene las dos plantas a lo largo de toda la longitud del tren, y los pasos entre coches son también de dos plantas.

Basculante

Esta técnica pretende reducir el efecto de la fuerza centrífuga que sufren los viajeros en las curvas. Esto se consigue equilibrando la fuerza centrífuga que empuja el tren hacia el exterior de la curva, basculando el tren hacia el interior de la curva. Esto permite aumentar la velocidad en torno al 25%, sin necesidad de modificar los ferrocarriles existentes, ni perjudicar el confort y la seguridad de los pasajeros.

Existen sistemas de basculación pasivos y activos. Los pasivos se utilizan desde los años 80, por ejemplo, en el tren pendular de la empresa Talgo. Las cajas de estos trenes se balancean de forma natural. El mecanismo es que los vehículos tienen un bajo centro de gravedad y las ruedas están unidas a la parte superior de la caja de vehículos con un sistema de suspensión. En las curvas, la fuerza centrífuga empuja la caja hacia fuera y las cajas, al estar atadas desde la parte superior, se inclinan hacia el interior.

Por su parte, los sistemas activos detectan que el tren está a punto de entrar en una curva mediante GPS o giróscopos utilizados para medir la fuerza centrífuga. En ese momento, mediante un sistema hidráulico, la caja del vehículo se inclina por el bogie. Fiat Ferroviaria (ahora Alstom) utiliza esta maquinaria en sus trenes Pendolino. Estos trenes ofrecen servicio de alta y media velocidad, principalmente en el norte de Italia. De 1998 a 2001, Alstom introdujo profundos cambios en el TGV clásico, dando lugar al primer TGV oscilante de la historia. El prototipo Démonstrateur Pendulaire fue sometido a numerosas pruebas para que la empresa fuera capaz de aplicar tecnologías de basculación a un tren de alta velocidad de nueva generación.

Otra novedad destacable en los sistemas activos sería el Sistema Inteligente de Basculación Integral (SIBI) de la empresa CAF de Beasain. El tren consiste en un módulo que determina la posición del tren mediante GPS, sensores de balanceo relativo y los agentes necesarios para doblar la caja del vehículo con el bogie. El tren debe aprender primero las características del recorrido. De este modo, se adelanta al recorrido y se balancea en el momento oportuno y con la fuerza adecuada. Se trata de un sistema silencioso y de pequeño tamaño, aplicable tanto a trenes eléctricos como a diesel.

TCN

La Red de Comunicaciones del Tren es el significado de las siglas inglesas TCN. Esta norma internacional lanzada por la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC) y la Conferencia Electrotécnica Internacional (IEC) define la comunicación entre los dispositivos internos del tren.

Una forma de entender esta plataforma es la comparación con el sistema nervioso humano. Algunos elementos del cuerpo toman datos del entorno, como los ojos. En el tren se denominan sensores a los instrumentos que miden velocidad, temperatura o tensión. Otros elementos del cuerpo, como las piernas o las manos, sirven para cambiar el entorno o su ubicación. En el tren se les denomina actuadores. Permiten modificar un parámetro, por ejemplo, los motores y los frenos modifican la velocidad. Además, la sorprendente red de comunicaciones, conocida como sistema nervioso, conecta todos los elementos. Este es el lugar que ocupa el TCN en el tren. Esta red a través del tren tiene varios enlaces en ruedas, puertas, asientos, motores... Estos enlaces pueden ser sensores o actuadores. Del mismo modo, el cerebro corporal es el centro de control del tren, como se indica en el argot del TCN, el nudo principal.

Según el experto Hubert Kirrmann de ABB Corporate Research, a pesar de la necesidad de estandarización de componentes electrónicos del tren, la verdadera ventaja del TCN es su capacidad de reconfiguración automática. De hecho, los trenes con una composición variable en el servicio diario, como los metros, trenes nocturnos o trenes internacionales, requieren de un método de control, diagnóstico e intercambio de información. Este tipo de sistemas de comunicación deberían configurarse cuando los vehículos están conectados entre sí en la vía férrea y así lo hacen.

Según el TCN, en cada vehículo (vagón o locomotora) puede haber una red. Además, una red ferroviaria completa conecta las redes de cada vehículo. Esto es posible, por ejemplo, que desde la locomotora se sepa que el equipo de climatización del cuarto coche está deteriorado y que se informe directamente de esta avería al centro de mantenimiento. Esta última red, que se extiende a todo el tren, es capaz de adaptarse automáticamente.

¿Y cómo se hace? Normalmente la red ferroviaria está controlada por el enlace existente en la locomotora. Los enlaces de los vagones situados a ambos lados del tren constantemente analizan la incorporación de un nuevo vagón y si detectan algo surge un conflicto para resolver el control de la nueva formación ferroviaria.

Cada formación tiene su 'fuerza'. Las formaciones ferroviarias con más coches son 'más fuertes', así como las formaciones con conductor en comparación con las sin conductor. Por lo tanto, si la formación de vagones detectada tiene menos vagones o no tiene conductor con el mismo número de vagones, la débil formación cederá y ganará el otro, que controlará el tren. Entonces dará nombre a los enlaces de nueva configuración para mantenerlos bajo su control. Así, el tren se adaptará automáticamente al nuevo tamaño.

ERTMS

En los últimos años la industria ferroviaria y los gobiernos de los países europeos han realizado numerosos esfuerzos para que los trenes puedan cruzar las fronteras entre países sin detenerse. En la actualidad, cada país dispone de su propio Sistema Automático de Protección del Tren (ATP), es decir, su propio idioma para gestionar el movimiento de los trenes. Para superar estas incompatibilidades se ha puesto en marcha un proyecto impulsado por la Unión Europea que propone un único modelo de señalización, el Sistema Europeo de Gestión de Tráfico Ferroviario (ERTMS). Pero el objetivo del ERTMS es, además de igualar las señalizaciones europeas, crear el sistema de señalización más avanzado del mundo con numerosas renovaciones. De hecho, en la actualidad es necesario instalar equipos costosos, tanto en los trenes como a lo largo del recorrido. Además, en los pasillos de mucho tráfico, la señalización hace que los trenes circulen más despacio. Todo ello cambiará con el ERTMS para que el transporte por ferrocarril sea más seguro y competitivo.

Actualmente se utilizan bloques para controlar la posición de los trenes. Un bloque es un tramo del ferrocarril controlado por un semáforo. Si hay trenes a lo largo del bloque, el semáforo de entrada estará en rojo. De esta forma se evitan colisiones entre trenes situados en el mismo ferrocarril. Un problema típico es que en los pasillos de mucho tráfico los trenes frenan más rápido de lo debido a la luz roja, alargando los viajes. El nuevo sistema propone bloques que se desplazan con el tren.

El pleno desarrollo de las capacidades del ERTMS evitará la necesidad de contar con la infraestructura colindante al ferrocarril (por ejemplo semáforos) que acredite la ocupación de los bloques. A través de las balizas kilométricas situadas a lo largo del recorrido, el tren conocerá su posición. Esta posición se enviará al centro de bloqueo y control vía GSM-R (versión del sistema GSM de telefonía móvil adaptado para vías férreas). Este centro contará con información sobre el estado de la red, con la ubicación de cada tren y las características de la vía. El centro de control responderá al tren enviando órdenes. Estas instrucciones serán un perfil de velocidad que permitirá al tren conocer la velocidad que debe mantener en función de su ubicación. El proceso se repetirá periódicamente.

Para ser conscientes de la potencia del sistema, hay que decir que está preparado para trabajar a una velocidad de hasta 500 km/h. Además, las autoridades de otros países del mundo están muy interesadas en este sistema, por lo que es posible que el sistema ERTMS se implante a nivel mundial.

WIFI

Internet llega también al tren. El operador de trenes de alta velocidad Thalys, la empresa 21 Net y la Agencia Espacial Europea (ESA), que trabaja en la región de Benelux, están realizando pruebas para ofrecer a los pasajeros una conexión a Internet de banda ancha.

El prototipo cuenta con una antena de conexión a un satélite en el techo de un vagón y un ordenador central a través del cual se conecta a Internet. Para la conexión se utiliza la banda Ku, con el satélite se consiguen 4Mbps de bajada y 2Mbps de subida. Partiendo del ordenador central del tren se establece una red inalámbrica wifi en el tren. La conexión se realizará mediante ordenador portátil y conexión ADSL. Además, en el ordenador central están disponibles películas y otros contenidos para que los viajeros los vean en sus ordenadores. En los meses posteriores, este servicio se ofrecerá en todos los trenes de Thalys y es posible que en breve se incorporen más trenes. De esta forma se aportará valor añadido a este medio de transporte.

Alineado con la naturaleza

Los científicos ven cada vez más claro que los residuos que se vierten como consecuencia de la acción humana perjudican el equilibrio dinámico del clima de nuestro planeta. Una vez comprobado que el cambio climático está relacionado con el nivel de CO 2 en la atmósfera, para poder tomar medidas conviene analizar las fuentes de contaminación. Según un informe de Naciones Unidas de 1998, el sector del transporte es responsable del 27% de las emisiones de CO 2.

Parece que los trenes deben ofrecer servicios de mayor velocidad para que en distancias cortas el coche y largas sea más competitivo que el avión. Además de ser posible, se puede producir menos contaminación que en otros transportes. Por ejemplo, en 1998 todos los trenes suizos eran eléctricos y el 97% de la energía utilizada era energía renovable hidroeléctrica. La mayor ventaja de los trenes eléctricos es que la energía que utilizan puede generarse a partir de fuentes renovables. Pero eso no significa que todo esté conseguido a nivel de vehículo.

Existen numerosas medidas para reducir el consumo energético de los trenes. Una de las más sencillas es el aligeramiento de peso, tal y como se ha mencionado anteriormente, mediante la utilización de cajas de aluminio o componentes electrónicos más ligeros. Existen también técnicas para mejorar la unión entre ruedas y vísceras. Además, parte de la energía disipada con el frenado regenerativo puede volver a la red eléctrica.

Por otro lado, es preocupante la incidencia paisajística de los ferrocarriles, especialmente de los corredores de alta velocidad. La estrategia hasta la fecha era la construcción de líneas especiales para alcanzar los 300 km/h. Estas líneas presentan pequeñas curvas que a menudo distorsionan el paisaje con numerosas trincheras, puentes y túneles. La implantación de sistemas de basculación en estos trenes rápidos también permite la incorporación de nuevas curvas de adaptación al paisaje en nuevos corredores de alta velocidad. De esta forma se preservará el medio ambiente y se reducirán los costes de construcción y mantenimiento de las vías. Además, será posible utilizar los caminos ya construidos para el servicio de media velocidad. De este modo, no serán necesarias obras públicas que perjudiquen al medio ambiente.

Otro problema importante es el ruido de los trenes, fuente de contaminación acústica. Según el investigador japonés Tatsu o Maeda, autor de investigaciones en los corredores de alta velocidad de Shinkans, la estructura del tren y el escaso diseño exterior son los responsables del ruido. Un equipo del Instituto de Desarrollo Ferroviario (RTRI), bajo la responsabilidad de Maeda, ha destacado que los pantógrafos y bogies son los elementos más ruidosos del tren. Para solucionar el problema se pueden construir trenes con menos pantógrafos y menos bogies como los trenes articulados. Las medidas aplicadas en Japón han dado sus frutos: En 1982 los trenes de 210 km/h generaban un ruido de 79,5 dB, mientras que en 1997 los de 300 km/h producían únicamente 76 dB. Parece que van por buen camino.

Viajeros

Tras este viaje por las tecnologías que configuran el futuro tren, hay una conclusión. La sociedad necesita y tendrá más pasajeros ferroviarios, tanto a alta velocidad como en tranvías o metros urbanos. Aunque el uso del tren está en manos de todos los gobiernos y de todas las personas, parece que este medio de transporte recuperará su espacio entre nosotros. El escritor Paul Theroux dijo una vez que "el tren no es un vehículo. El tren es una parte más de un país, es un lugar." Dejemos que el tren nos lleve a un mundo mejor.