Tengo la pequeña desgracia de que mi trabajo se desarrolle en un ámbito bastante especializado: la innovación en el tren. Por eso, me cuesta un poco describir exactamente qué hago si resulta que mi interlocutor no es un friki de lo ferroviario. No os imaginaríais cuánta gente hay a la que los trenes le dan bastante igual… ¡No puedo entenderlo! El futuro del transporte de pasajeros es una mezcla de modos en la que habrá mucha más micromovilidad, mucho menos vehículo privado y mucho más tren. Pero nada de taxis voladores, a menos que vuestra experiencia cotidiana también incluya volar en aviones privados de vez en cuando. Además, el tren mola.

Durante los últimos dos años he estado dedicado a un proyecto para materializar una idea que tuve pocos meses antes de la pandemia. Voy a contar qué he hecho de una forma que, espero, resulte comprensible. Así que primero tenéis que considerar cómo se alimenta un tren eléctrico. Esta foto es reveladora:

El enchufe deslizante

El pantógrafo, ese brazo metálico articulado que se despliega desde el tren y termina en una especie de mesa (la mesilla, no nos matamos con el nombre) tiene la misión de tomar la corriente que alimenta el motor de un hilo suspendido en un sistema mecánico cuyo componente más visible son los postes, ubicados como máximo cada 60 metros a un lado de la vía. Es, literalmente, un enchufe deslizante.

Como tal, tiene la visión de cualquier enchufe: transmitir la energía eléctrica con las mínimas pérdidas posibles. Pero esto depende de las características mecánicas del invento. El pantógrafo tiene unas superficies de contacto transversales a su dirección de avance, los frotadores. Están hechos de cobre o, cada vez más frecuentemente, de grafito: un muy buen conductor y con buenas características tribológicas. Esta es la manera técnica de decir «que se lubrica solo», gracias a su estructura molecular en planos formados por átomos de carbono enlazados entre sí en celdillas hexagonales.

La música de la catenaria

¿Y el hilo? En un nuevo golpe de originalidad, lo llamamos «hilo de contacto». Tiene una sección aproximadamente circular de, como máximo, 150 milímetros cuadrados. En unidades populares, grueso como un dedo. Está fabricado en una aleación maciza de cobre, puro o con pequeñas cantidades de plata, magnesio o estaño, que conduce muy bien la corriente. Mejor que casi cualquier aleación conocida, con la excepción de la plata pura. También soporta muchos pasos de pantógrafos sin desgastarse demasiado, cosa que la plata sola no lograría. Eso sin contar con que la plata es más de seis veces más cara. Para que el contacto sea lo mejor posible tiene que estar tenso: un valor habitual son 27 kilonewtons. Como una cuerda de la que colgaran casi 2,7 toneladas.

Yo suelo decir que la catenaria ferroviaria, el conjunto de sistemas físicos que resuelve la alimentación de energía eléctrica al tren, es un maravilloso macramé metálico en tensión mecánica y eléctrica. Pero un pantógrafo recorriendo el hilo de contacto me evoca otra imagen: a un guitarrista deslizando su dedo entre trastes por una cuerda de su guitarra.

Pequeños rayos

Por su parte, el pantógrafo debe asegurar un buen contacto con el hilo. Lo hace empujándolo desde abajo. ¿Cuánto? Idealmente, nada. Porque una fuerza de contacto justo por encima de cero sería lo ideal para hacer mínimo el desgaste de las superficies de la mesilla y del propio hilo. Sin embargo, la vida real se interpone. Toda superficie tiene irregularidades microscópicas. El hilo de contacto y el pantógrafo no son una excepción. Estamos, entonces, prácticamente obligados a empujar más con este último para evitar en lo posible el fenómeno que ocurre cuando dos cuerpos por los que fluye una corriente eléctrica se separan ligeramente.

El despegue momentáneo produce una pequeña separación física. Si el potencial eléctrico en este hueco supera los 3 kilovoltios por milímetro, el aire se «rompe» como aislante. Las moléculas del entorno se ionizan súbitamente y se crea un camino conductor. Un pequeño rayo. El plasma resultante alcanza temperaturas elevadas que deterioran las superficies de contacto. Y si hablamos de deterioro, hablamos de algo que queremos evitar.

Así que apretamos más. Pero, como cualquiera que haya manejado papel de lija sabe, apretar más es una forma de incrementar la fricción y la temperatura entre las superficies. La mejora en el contacto eléctrico viene a costa de desgastar más rápidamente frotadores e hilo de contacto. Por eso, como Aristóteles, buscamos la virtud en un punto medio. El problema de ese medio virtuoso es lo difícil que resulta asegurar que se cumple. En condiciones estáticas, es decir, a tren parado y en un taller, uno puede tomarse el tiempo que sea necesario para regular los elementos del pantógrafo. Por su parte, la catenaria se tiende y se ajusta cuidadosamente para que se comporte de forma óptima.

El ala involuntaria

Pero en condiciones dinámicas, todo cambia. El comportamiento de la mesilla a velocidades grandes es similar al de un ala. Pequeñas variaciones de su ángulo de ataque producen fuerzas positivas o negativas de sustentación que alteran el contacto eléctrico en un sentido o en otro. Las vibraciones inducidas por el pantógrafo en el hilo de contacto afectan también al comportamiento del sistema, sobre todo en el caso de trenes con doble tracción —y, por tanto, dos pantógrafos desplegados; los segundos pantógrafos atacan un hilo de contacto mucho más perturbado que el primero—. Los elementos del pantógrafo pueden perder su regulación con el tiempo. Y la propia catenaria está sujeta a errores de montaje y desgastes que empeoran su comportamiento.

¿Cómo controlar todo esto? Lo veremos en la segunda parte de este artículo.