Desde el momento en que los seres humanos se dieron cuenta que tenían que quemar unas ramas para calentarse o para cocinar sus alimentos, el fuego pasó a ser imprescindible en sus vidas. Hoy más del 90% del calor y del poder que necesitamos, es generado por combustión, y prácticamente todo nuestro sistema de transporte depende de ello. Cada año, las estufas y los hornos del mundo consumen más de mil millones de toneladas de carbón. En el año 2000, sólo las líneas aéreas de Estados Unidos, quemaron cada día más de 250 millones de litros de kerosene de aviación.

Pero las necesidades de satisfacer las demandas masivas de energía entran en conflicto con nuestra preocupación del medio ambiente. Es así como quemando combustible fósil se producen grandes cantidades de dióxido de carbono, el que incrementa el efecto global de calentamiento de la Tierra. También se liberan contaminantes peligrosos, como óxido de nitrógeno y hollín. Los científicos, para poner límite a estas emisiones, están tratando de comprender la complejidad de la combustión, para llegar a desarrollar nuevas tecnologías que aseguren un uso del combustible más limpio y más eficiente.

La "combustión" es un proceso químico que, para que ocurra, requiere de dos ingredientes básicos: un "combustible", como el gas, el petróleo o el carbón, y un "oxidador", generalmente oxígeno del aire. A ellos se agrega una pequeña cantidad de energía (como por ejemplo una llama o una chispa) y usted puede gatillar una "reacción exotérmica" (que libera calor), con lo que rápidamente se libera la energía atrapada en las uniones químicas del combustible.

Pero la combustión no es un proceso químico ordinario. Una vez que se inicia, "se mantiene a sí misma". Esto la distingue de la mayor parte de las reacciones químicas, y se debe principalmente al hecho de que parte de la energía liberada por la combustión, calienta el combustible a su alrededor. Este proceso de "feedback" incrementa el ritmo de la reacción y mantiene la combustión en marcha.

También, a diferencia de otras reacciones químicas, la reacción de combustión es visible, gracias al humo y las llamas. Las llamas se producen cuando una gran cantidad de energía liberada genera luz. El ejemplo más familiar de una llama, es probablemente la que se produce en una vela encendida (ver figura 1). Esta clase de llama en forma de lágrima, se denomina "llama de difusión" porque el oxígeno del aire se debe difundir a través de la región de combustión, mientras el vapor del hidrocarburo tiene que difundir hacia fuera de la mecha.

A principio del siglo XIX, el científico inglés Michael Faraday, hizo uno de los primeros estudios detallados de la llama de la vela. Observó que el calor irradiado de la llama, fundía la cera, permitiendo que ésta, como un líquido empapara la mecha. Una vez dentro de la mecha, el calor vaporizaba la cera líquida. Aquí la temperatura de alrededor de 1000ºC rápidamente descomponía la cera en fragmentos más pequeños y más reactivos.

Estos fragmentos comienzan a reaccionar con oxígeno, descomponiéndose cada vez a cadenas más y más pequeñas, generando gases, vapor de agua y pequeñas partículas sólidas, constituidas por carbón no quemado u hollín, al que llamamos "humo". En esta llama, el mayor ritmo de reacción, como también la zona de mayor calor y emisión de luz, ocurre cerca de la superficie externa de ella, ya que es allí donde el combustible hidrocarbonado se encuentra con el oxígeno.

Parte de la luz, principalmente la naranja y la amarilla, se produce por partículas de hollín incandescente que se generan durante la combustión. El área más roja, cerca del centro de la llama, alcanza una temperatura de 800ºC. La región naranja y la amarilla, son más calientes que eso, alcanzando una temperatura sobre 1400ºC.

Además, algunas de las moléculas creadas por combustión, cuando se forman, ganan considerable energía. Esta energía es absorbida por sus electrones, que luego la remiten como fotones. El resultado es el color azul visto en la base de la llama de la vela, revelando que en esta región, el oxígeno se está mezclando con el combustible para causar una elevada reacción exotérmica.

Algunas de las formas de combustión más comúnmente usadas se basan en llamas de difusión, como las estaciones generadoras eléctricas que queman partículas de carbón pulverizado, o los motores diesel en los autos y camiones, que queman combustible dispersado como un spray de finas gotas. Este tipo de llama también se produce en la superficie de combustibles sólidos como el coke, la truba y la madera cuando se queman en estufas o en fogatas abiertas. La combustión de difusión, incluso puede algunas veces contribuir al desarrollo de nuevos y valiosos materiales (ver recuadro 1).

Con todo, las llamas de difusión no son muy eficientes en el uso del combustible. Para optimizar la eficiencia de la combustión, maximizando la liberación de calor, y manteniendo la producción de humo y contaminantes en un mínimo, deben previamente mezclarse el combustible con el oxígeno, antes que comience la combustión, a un nivel molecular.

A mediados del siglo XIX, un químico alemán llamado Robert Bunsen tuvo una idea para mejorar la eficiencia de la combustión. Se le ocurrió combinar un chorro de gas flamable con el aire, antes que se prendiera. El concepto fue concretado en el "Mechero Bunsen", que produce una llama extremadamente caliente. En la actualidad, la premezcla de aire dentro de un chorro de gas natural (que consiste principalmente de metano) es la mejor forma de lograr quemadores eficientes para las cocinas domésticas, sistemas de quemadores y hornos industriales.

La estructura de una "llama de pre-mezclado", es muy diferente de una llama de difusión (ver figura 1). La zona de reacción principal y la región que quema azul más brillante, está dentro de la llama. La llama misma es cónica, ya que su forma está determinada por la moldura circular del quemador. La reacción de combustión se mantiene a sí misma debido tanto a la conducción del calor, como a la difusión de especies químicas reactivas como radicales libres, desde la llama en el interior de la mezcla más fría y el aire que circula hacia arriba. Ya que el combustible se quema más eficientemente en la llama de pre-mezcla, se forma menos hollín y produce muy poca incandescencia amarilla.

Una de las aplicaciones más comunes de la combustión pre-mezcla, es el motor de petróleo como el que se usa en los automóviles. La versión más eficiente de estos motores combina el aire con cantidades muy controladas de vapor de petróleo, e inyecta la mezcla en los cilindros del motor. El pistón comprime la mezcla y una chispa gatilla la combustión. Cuando la mezcla se prende, produce gas caliente que se expande y empuja contra el pistón para hacer girar el cigüeñal del motor.


Máxima eficiencia
Receta para la combustión compuesta

Para la máxima eficiencia, el vapor de petróleo debe estar mezclado con la cantidad precisa de aire para así permitir la combustión completa hasta dióxido de carbono y agua. Si no hay suficiente aire, no se quema todo el combustible, reduciendo la producción total de calor, el nivel de quemado y la fuerza del pistón. Por otra parte, si hay mucho aire, entonces el exceso absorbe algo del calor causando otra vez que disminuya la fuerza del motor.

Los químicos pueden calcular cuánto oxígeno se necesita para la máxima eficiencia. La combustión completa del octano (un componente representativo del petróleo) se da en la siguiente fórmula:

C₈H₁₈+12.50₂+47N₂=8CO₂+9H₂O+47N₂

En este caso, todo el combustible es oxidado a dióxido de carbón y agua. Por volumen, esto representa 1.7 % de vapor de octano en aire. Para el butano, un típico combustible para las cocinillas de camping, la proporción óptima es de 3.2% de butano en aire.

En la práctica, la llama de un combustible dado puede sólo sostenerse bajo un rango estricto de condiciones. Este rango está determinado por la temperatura, la presión y la relación combustible-aire. Los dos extremos de este rango, dependiente de esas condiciones, se llama límites de "flamabilidad", que puede variar de "pobre" a "rico". Es pobre, cuando hay suficiente combustible como para encender la llama y es rico cuando hay suficiente presencia de aire. Para la mezcla octano en aire, estos límites son por volúmenes, entre 1 y 6% respectivamente.

Los límites de la flamabilidad no sólo determinan lo más ancho del rango de la relación combustible-aire en la que un motor puede operar, sino también ayuda a evaluar el riesgo de fuego o explosión en los procesos industriales o manufactureros que usan líquidos o gases flamables. Así por ejemplo, dejando caer un fósforo encendido en el estanque cerrado de un automóvil, es muy poco probable que este explote, porque en este caso la mezcla de vapor y aire es demasiado rica en combustible como para que explote, a pesar de lo que se ve en las películas.

La química comprometida en la reacción de combustión es extremadamente compleja, aun para uno de los más simples ejemplos, como es la quema del gas natural o metano:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O

Encender un chorro de gas natural en oxígeno o aire, produce un flujo de especies reactivas (Figura 2). Estas incluyen radicales libres altamente reactivos y átomos como H, O y OH. Estos gatillan todo tipo de reacciones en competitivas en cadena, que en último término llevan a la formación de dióxido de carbono y agua.

Los átomos de hidrógeno juegan un rol particularmente importante, ya que ellos van a formar una de tres especies reactivas: OH, O y CH₃. El radical OH, también es crucial ya que es el principal contribuyente en la formación de agua en todas las reacciones de combustión.

Además del dióxido de carbono y el agua, la combustión genera un rango de "contaminantes atmosféricos" dañinos, incluyendo monóxido de carbono, óxidos nitrosos (NOx) y hollín. También se forman "hidrocarbones aromáticos policíclinos" (PAHs).

La formación de monóxido de carbono es casi inevitable. Si la mezcla combustible es rica en combustible, o si el combustible y el aire están pobremente mezclados, el exceso de moléculas de combustible arrastra los radicales OH antes que ellos puedan oxidar todo el monóxido de carbón, transformándolo a dióxido de carbón. Para disminuir estos problemas los ingenieros tratan de operar la combustión bajo condiciones pobres.

Los óxidos de nitrógeno, principalmente el óxido nítrico (NO), son también sub-productos de la combustión casi inevitables y son el resultado del nitrógeno presente en el aire. El nitrógeno llega a comprometerse en dos equilibrios químicos simples, conocidos como "el mecanismo Zel`dovich" (ver figura 3). Esta reacción es principalmente suplementada por dos reacciones adicionales que producen NO y cianuro de hidrógeno (HCN). La posterior oxidación del HCN eventualmente conduce a óxidos de nitrógeno como NO₂.

Al quemar en motores u hornos, carbón o combustibles de aceites pesados, tiende a producirse más óxidos de nitrógeno, ya que estos combustibles contienen átomos de nitrógeno unidos a la molécula de combustible. La emisión de dióxido de azufre es también un problema para combustibles como el carbón, debido a su contenido en azufre.

La formación de hollín comienza con las especies simples encontradas en las llamas de combustible rico. Moléculas como el C₂H₂ y radicales libres como C₂H₃ que se forman en la medida que las moléculas del combustible se degradan, pueden reaccionar juntas por el mecanismo llamado "polimerización de radicales libres", generando partículas largas hechas de largas cadenas de carbón. Estos polímeros también pueden reaccionar para formar PAHs. Entonces, más o menos en la misma forma que se condensan gotas de agua provenientes del vapor de agua, pueden las grandes moléculas de carbón aglomerarse, para formar partículas sólidas de humo. En la medida que estas partículas de humo crecen, pueden formar estructuras moleculares con masas enormes. Además de PAHs, también pueden formarse entre las llamas, fulerenos como C₆₀ y compuestos C₉₀, que semejan a cúpulas geodésicas.

A través del proceso de combustión hay competencia entre la formación de hollín y su degradación por oxidación. A temperaturas altas, la oxidación tiene más posibilidades de ganar, de modo que la formación de hollín ocurre principalmente en las llamas de combustibles ricos, donde la temperatura de combustión es baja.

Con todo, en algunas situaciones las partículas de hollín pueden ser útiles. Así por ejemplo juegan un rol importante en hornos usados para generar calor y poder. El hollín puede radiar energía por incandescencia, ayudando a transferir calor de la llama al agua caliente o a un sistema de generación de vapor.


Reduciendo la polución

Hay una serie de técnicas que permiten minimizar el impacto de los contaminantes de la combustión en el ambiente. La mayor parte del dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno que se liberan en pases industrializados proceden de estaciones de poder, pero es posible limpiar esos gases perdidos. "La conversión catalítica" (proceso que involucra el paso de los gases exhalados a través de un catalizador) puede reducir los niveles de NOx por sobre un 90%, y los estropajos de desulfirización pueden remover más del 90% del dióxido de azufre.

Con todo, una de las mejores formas de reducir la cantidad de polulantes liberados por la combustión, es en primer término, diseñar motores y hornos que produzcan menos de estas sustancias químicas dañinas. El rendimiento del NOx formado en el equilibrio Zel`dovich, aumenta en la medida que la temperatura de la combustión se eleva (figura 3). De este modo, diseñando un sistema de combustión que trabaje a temperaturas más bajas, se reduce la emisión de NOx. Los ingenieros usan una variedad de otros trucos para minimizar la polución. Algunas veces explotan las turbulencias que se producen dentro del motor, para mover gas o vaporizar combustibles más rápido, o crean remolinos y vórtices que concentran los materiales de combustión. Esto puede ayudar a mezclar el combustible con el oxígeno, aumentando el ritmo de quemado y reduciendo los niveles de polución.

Así por ejemplo, los motores a petróleo de los automóviles, a menudo usan estos métodos para confinar porciones relativamente ricas de la mezcla de la combustión, en la región central del cilindro, cerca donde se produce la chispa de las bujías. Esto produce un fuerte crecimiento de la llama y una eficiente combustión. Esto significa también que el motor puede operar en condiciones muy pobres, que eliminan la emisión de CO y reduce CO₂ sin pérdida significativa del rendimiento.

Para conocer cómo es la mejor forma de optimizar la eficiencia de la combustión, los químicos y los ingenieros necesitan medir la composición y movimiento de los gases mientras estos se queman, para saber qué efectos tienen en la química de la combustión. Pero conocer los detalles de las llamas dentro del motor, no es una tarea fácil. La mayor parte de las especies químicas responsables para la formación de contaminantes, existe sólo durante microsegundos. Lo que es más, las condiciones dentro del motor durante la combustión, son altamente turbulentas. De momento a momento hay enormes fluctuaciones en la composición química y la temperatura, y ello ocurre de un punto a otro.

Para descubrir los fundamentos secretos de la combustión, han sido herramientas indispensables, las simulaciones en computador y aun experimentos en órbita (ver recuadro 2). Pero para observar estos violentos fenómenos como suceden en un motor real, sólo ha sido posible por el desarrollo de técnicas como la fluorescencia espectroscópica y el "escatering Rayleigh o espectroscopia Raman anti-stokes" (CARS). Esta técnica usa rayos láser para la identidad o la energía contenida de moléculas, y puede revelar detalles escondidos de los procesos de combustión. El truco en CARS, es por ejemplo, excitar moléculas de nitrógeno, con luz láser. La forma en que la energía estimula las vibraciones en la molécula, proporciona al investigador una medida instantánea de la temperatura en ese punto.

Los ingenieros han tenido que diseñar motores especiales para este tipo de experimentos. Estos motores permiten a los científicos, mirar directamente dentro de la cámara de combustión a través de una ventana de vidrio resistente, instalada en un costado del motor y en la cabeza del cilindro. Investigadores en Alemania, combinando un escatering Rayleigh y técnicas fluorescentes, han medido alrededor de la bujía, en un motor de combustión a petróleo, la relación entre la temperatura de combustión y la generación de NO.

Es también importante medir el movimiento turbulento del gas durante la combustión. Técnicas que miden el escater liviano de partículas dentro del motor, pueden revelar estos movimientos y producir un mapa del pattern de flujo y la velocidad del gas que ocurre dentro del motor.

Esta información es vital para saber cómo minimizar la emisión de contaminantes y eliminar el problema del golpeteo del motor , la partida espontánea por el combustible no quemado antes de la llama, lo que limita seriamente la eficiencia del motor del automóvil.

Uno de los más grandes avances tecnológicos es "la turbina a gas". Este motor ha alcanzado una notable sofisticación, y quemando combustible a alta temperatura, están entre los equipos de combustión más versátiles y eficientes que se usen hoy día. Probablemente el uso más familiar de las turbinas de gas es en la propulsión de aviones, pero también se usan en barcos y son ampliamente usados en las generadoras de electricidad, generalmente quemando gas natural o petróleo.

Al contrario de la complejidad y los ciclos de quemados del motor de combustión interna, las turbinas de gas operan en forma continua (ver figura 4). Una serie de ventiladores succionan aire por el frente y lo comprimen, elevando su temperatura a más de 700ºC, incluso antes que comience la combustión. En la medida que el aire entra a la cámara de combustión, el combustible, ya sea kerosene o gas metano, se esparce en un spray y la turbulencia producida mezcla el combustible con el aire. Luego la mezcla es encendida y crea una combustión difusa altamente turbulenta.

Los gases calientes exhalados se expanden y acelerados salen por la parte posterior, pasando por un segundo set de cuchillas, que impulsan la turbina de compresión. En aplicaciones estacionarias de las turbinas a gas, como por ejemplo para generar electricidad en una planta eléctrica, la turbina puede también tener un eje que gire para conectarse a un dinamo (Fig. 4). En ese caso los gases calientes generados pueden canalizarse y usarlos para producir vapor para una generadora eléctrica suplementaria. Este "ciclo combinado" hace que una planta pueda alcanzar una eficiencia de 60%, lo que es mucho más que un horno en las plantas generadoras corrientes, que sólo alcanzan un 40% de eficiencia.

En el motor del avión la exhalación caliente se usa para generar el empuje. Para asegurarse una alta eficiencia de combustible y una emisión de NOx menos de 10 partes por millón, el motor opera lo más cerca de los límites de una flamabilidad pobre. Pero es imposible optimizar las turbinas del avión para que funcionen en estos límites durante toda la etapa del vuelo. El empuje que un motor produce, depende de la relación combustible-aire, lo que no se puede mantener cuando el avión despega, dado que en ese momento se requiere el máximo de potencia, por lo que hace difícil reducir la polución durante estos momentos. Con todo, durante el crucero, cuando el motor reduce la aceleración, se puede reducir la relación combustible-aire para alcanzar una flamabilidad adecuada.

Durante el crucero, con una mezcla pobre, el motor se puede apagar. Para impedir esto, las últimas turbinas a gas incluyen una cámara de combustión secundaria, un principio llamado "combustión estagnada". Cuando el piloto requiere el máximo de empuje, conecta la cámara principal, pero durante el crucero ellos pueden usar la zona secundaria menor en la cámara de combustión y así mantener una combustión limpia y estable, con un mínimo de empuje. Para reducir más la emisión de contaminantes, los investigadores están ahora desarrollando turbinas a gas en las cuales se usa una premezcla de combustible y aire antes que entren a la cámara de combustión.

En las turbinas alimentadas por gas natural se han solucionado varias dificultades, y de este modo, esta combustión de pre-mezcla está permitiendo emisiones excepcionalmente bajas de NOx. Con todo, la auto-ignición y desconexión, en una mezcla de kerosene de aviación, es difícil de controlar, lo que hace aún más difícil usar pre-mezclas de combustión en los motores de aviones. Sin embargo las investigaciones están avanzando y seguramente ya en la próxima década se logrará una nueva generación de aviones limpios y ecológicos.