El XIII Congreso Internacional de Física y Matemáticas Aplicadas (ICAPM, de sus siglas en inglés) se ha celebrado en Singapur, reuniendo a ingenieros físicos y matemáticos aplicados que investigan en dichos campos tanto desde la academia como desde la industria.
A dicho congreso acudió Javier Rico, estudiante del Doctorado en Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) para presentar las investigaciones que está llevando a cabo en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE) durante el desarrollo de su tesis doctoral: “Interacción entre pozos geotérmicos y aguas subterráneas usando técnicas de expansión asintóticas” (“On the interaction between geothermal boreholes and groundwater flows using asymptotic expansion techniques”).
Las investigaciones de Javier se enmarcan en el campo de la energía geotérmica, la que aprovecha el calor del interior de la Tierra como fuente energética. Dentro del Grupo de Investigación de Análisis y Experimentación en Mecánica de Fluidos y Combustión de la UPM existe precisamente una línea dedicada al aprovechamiento de la energía geotérmica. Los investigadores de la UPM desarrollan modelos teóricos para el diseño óptimo de intercambiadores de calor geotérmicos, que son particularmente interesantes para instalaciones de tamaño industrial (hoteles, hospitales, metro...) donde el dimensionado del intercambiador de calor juega un papel crítico en la viabilidad económica y energética del proyecto. Para ello emplean técnicas matemáticas tradicionalmente aplicadas al estudio de la mecánica de fluidos y la ingeniería aeronáutica tales como el análisis de escalas y las técnicas asintóticas.
“En España, la geotermia puede emplearse para ahorrar energía en la climatización de edificios, pero ¿qué ocurre cuando existen aguas subterráneas robándonos la energía?”, pregunta el doctorando de la ETSIAE. “Mi tesis va encaminada a generar modelos matemáticos que tengan en cuenta la presencia de estos acuíferos. Esos modelos servirán como herramienta a los ingenieros para diseñar la instalación óptima en cada caso y así ahorrar tanto costes como energía”, sostiene.
Las características del terreno donde se construye un edificio condicionan el movimiento del agua. Si el terreno es muy compacto, como el granito, el agua tiene mucho menos espacio y, por tanto, apenas se mueve, mientras que, si el terreno es más poroso, como la grava, el agua tenderá a moverse más rápido y robará mucha energía. Si esto no se tiene en cuenta la instalación requerirá de más electricidad para funcionar adecuadamente.
En su tesis, Javier, aborda principalmente dos problemas: qué pasa cuando el agua se mueve muy lentamente o qué ocurre cuando va un poco menos despacio; una diferencia que puede parecer ligera, pero que tiene implicaciones profundas en los modelos matemáticos.
Una nueva forma de abordar el problema
En particular, en el ICAPM 2023 Javier presentó un modelo que trata el caso de flujos de aguas subterráneas reptantes (a bajas velocidades). Lo interesante de este trabajo no son tan solo los resultados obtenidos, que de por sí mejoran la precisión en el estado del arte, además aporta una forma de abordar el problema sistemática y consistente desde un punto de vista físico y matemático.
En este sentido, el doctorando de la UPM explica que “las ecuaciones que nos permiten predecir el comportamiento del suelo son muy complicadas, tanto que no existe solución conocida. Por tanto, debemos simplificarlas y la forma de hacerlo correctamente es empleando técnicas asintóticas. Estas técnicas matemáticas son muy conocidas en los campos de la ingeniería aeronáutica y la mecánica de fluidos en general, pero no lo son tanto en el campo de la geotermia. Hasta ahora los cálculos en geotermia se basaban fundamentalmente en los trabajos de un grupo de investigadores suecos que en los años 80 realizaron simplificaciones y resolvieron varios problemas de manera muy similar a lo que hacemos ahora nosotros, esto es, con mucha intuición física, pero en nuestro caso empleamos además unas herramientas mucho más potentes y que siempre son consistentes con la física de los problemas. Es un marco de trabajo mucho más rico y que hace que físicamente esos problemas se entiendan mejor”.
Durante el congreso ICAPM 2023 se entregaron premios a las mejores presentaciones orales de cada sesión y uno de los galardonados fue Javier: “Me hace especial ilusión este premio, que viene a reconocer todo el esfuerzo invertido, ya que además del trabajo técnico, luchando con las ecuaciones, tanto el jefe del grupo de investigación de geotermia, Miguel Hermanns, como yo, hemos dedicado muchas horas a la calidad de las presentaciones. Queríamos que fuera inteligible y ameno para una audiencia que no está acostumbrada a un problema tan ingenieril ni a tratar con técnicas matemáticas que tienen origen en la mecánica de fluidos y en la ingeniería aeronáutica y que, por otra parte, puede haber escuchado otras seis charlas sobre geotermia antes de oírte a ti. Este énfasis en trabajar tanto la calidad comunicando nuestra investigación es algo que, bajo mi punto de vista me ha hecho crecer como investigador y que explotaré el resto de mi vida laboral”.