Los buques del futuro: marcando el rumbo hacia el 2050

La Japan Ship Technology Research Association (JSTRA) ha analizado la influencia que las tecnologías innovadoras tendrán sobre la evolución de la industria marítima. Kohei Matsuo, del National Maritime Research Institute de Tokio, expuso los resultados de este trabajo en la conferencia HIPER (High-Performance Marine Vehicles) celebrada el septiembre pasado en Zevenwacht (Sudáfrica).

El estudio analizó la forma en que se han adoptado nuevas tecnologías en otras industrias, así como ejemplos de implementación de tecnología avanzada en la industria marítima de todo el mundo. La aplicabilidad de estas tecnologías a la industria marítima se convirtió en la base para abrir el debate sobre cómo será la tecnología de la navegación dentro de 30 años.

Para este proyecto, la JSTRA estudió todos los ensayos publicados y entrevistó a los diferentes actores (universidades, instituciones de investigación, fabricantes, etc) para dar con las tecnologías que podrían aplicarse a los barcos en el futuro. También analizaron cada tecnología individualmente desde el punto de vista de su viabilidad y madurez, y la magnitud del impacto. Esto llevó a una hoja de ruta tecnológica para organizar proyectos de I+D+i a corto y medio plazo.

Visión general

La investigación más avanzada se centra cada vez más en algunas áreas específicas: tecnología medioambiental y energía, nanotecnología, tecnologías de la información y ciencias de la vida, campos en los que el gobierno japonés ha centrado su financiación. Los resultados de la investigación sobre tecnología medioambiental y energía, nanotecnología y tecnologías de la información pueden ser directamente aplicables a la industria marítima. E incluso algunas ciencias de la vida (por ejemplo, la neurociencia) pueden conducir a aplicaciones marinas en el futuro.

En general, es probable que los campos actuales de la ciencia y la tecnología trabajen en común en el futuro. Por lo tanto, no se trata de desarrollar tecnologías únicas en profundidad, sino de combinarlas e integrarlas desde diferentes campos e industrias.

Materiales

La investigación ha centrado sus esfuerzos en busca de aceros más resistentes y flexibles, logros que se han ido incorporando progresivamente a la construcción naval.

Los materiales de los buques del futuro serán cada vez más materiales compuestos, uniendo acero, carbono y material orgánico. Ya podemos ver el uso práctico de los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) en las industrias aeroespacial y automovilística. La aplicación de nuevos materiales como los nanotubos de carbono (CNT) y el grafeno, deberían ser clave en el futuro de la industria marítima. Las estructuras de las embarcaciones han evolucionado de la madera al acero, y el carbono puede ser la próxima revolución.

El nanocarbono no solo es un buen material estructural, sino también un buen material funcional, por ejemplo, para circuitos electrónicos integrados, semiconductores o intercambiadores de calor. El armamento del barco puede cambiar drásticamente en el futuro, por ejemplo, incrustando materiales eléctricos y placas de circuitos impresos directamente en los elementos del casco mediante impresión. Al realizar buques ultraligeros, también podremos ver nuevas formas de cascos para cruceros, megayates, ferris o buques de la Armada. El apoyo al ciclo de vida (ACV), incluido el reciclaje de los buques, también se vería afectado.

Es posible que veamos cada vez más materiales con una variedad de características nuevas, como transparencia, capacidad de ajustar de forma reactiva las propiedades mecánicas (tecnología biomimética), autorreparantes e inteligentes (con sensores incrustados).

Simulación y diseño

Junto con el acceso cada vez más fácil a la Computación de Alto Rendimiento (HPC, High Performance Computing en inglés), nuestras capacidades en simulación han progresado, por ejemplo, modelando directamente la interacción de turbulencia compleja o hidro-elástica fluido-estructura en los barcos. La simulación avanzará hacia modelos de diversas escalas y diferentes formas, con alta precisión y alta confiabilidad. En el futuro, podremos analizar y determinar el comportamiento de barcos o sistemas totalmente mediante simulación (diseño basado en simulación o fabricación de una sola vez, es decir, sin prototipos). La producción personalizada a medida será algo habitual en la sociedad del futuro.

Además, la simulación incluirá aspectos no técnicos, como el elemento humano en un sistema (modelo de comportamiento, simulación humana, soft computing) o modelos de negocio (Economía de Funcionalidad, o Product-Service Systems). El enfoque se extenderá desde el producto mismo a su servicio, para maximizar el valor del producto. Con respecto a la tecnología en los barcos, se espera que nuevas tecnologías de simulación, no tan solo extensiones de las aplicaciones clásicas (estabilidad, hidrodinámica y comportamiento estructural), evolucionen y respalden el diseño y la operación.

La ciencia de datos ganará en importancia y se utilizará habitualmente. Los esfuerzos en investigación y desarrollo se centrarán en la búsqueda de aceros de mayor resistencia y flexibilidad. Los logros en este campo se incorporarán progresivamente en la construcción naval. Otras industrias han centrado sus investigaciones en el desarrollo de materiales inteligentes. En el campo del diseño, los errores se reducirán mediante la visualización y la verificación avanzada, utilizando una amplia gama de técnicas que incluyen tecnología Cad 3D, la realidad virtual y la realidad aumentada.

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Fabricación y construcción

La introducción del Internet de las Cosas en el lugar de trabajo hará que las chapas de acero sean transportadas automáticamente en el astillero por máquinas que se comunicarán entre sí en base a un plan de construcción predeterminado, desde el corte de acero hasta las diversas etapas de ensamblaje. Además, será posible registrar el proceso completo de construcción a través de una red de dispositivos portátiles de monitorización extendida por todo el astillero. Estos dispositivos permitirán también la trazabilidad en tiempo real de toda la construcción del buque.

La introducción de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) cambiará los procedimientos estándar actuales. Hoy en día, el departamento de diseño y el centro de producción tienen diferentes roles y están separados en la organización del astillero. También existe la creencia de que es más eficiente dividir los procesos de trabajo lo más posible. Con la tecnología de las TIC, especialmente con la expansión de los dispositivos portátiles o la realidad aumentada, la información se integrará entre el departamento de diseño y el centro de producción. La digitalización de los centros de construcción naval no solo conducirá a un entendimiento mutuo entre los departamentos de diseño y producción, sino que también puede llevar a nuevas ideas de ‘diseño en el sitio’ o incorporación de diseños al departamento de producción, quienes finalmente dibujarán o determinarán las especificaciones en el lugar de producción y no en la oficina de diseño.

En la actualidad, la impresión 3D solo puede producir piezas pequeñas y tiene limitaciones en la resistencia y el tipo de materiales utilizados. Sin embargo, estos problemas deberían resolverse en breve y se espera que la impresión 3D se extienda rápidamente también en la construcción naval. Esto a su vez hará avanzar el uso de materiales compuestos en los barcos. La Oficina de Investigación Naval (ONR) de la Marina de los EE. UU. publicó un informe en el que explora la posibilidad de producir todo el barco utilizando la impresión 3D, al igual que ya se construyen casas impresas en 3D.

La automatización y la robótica también son importantes, aumentando la productividad y la calidad. En la industria aeroespacial, la automatización de la producción está progresando al expandir el uso de robots en las líneas de producción de grandes aviones de pasajeros. La misma tendencia es probable para la construcción naval.

Tecnologías de la información y la comunicación (TIC)

Los ordenadores nos rodean, pero a menudo no nos damos cuenta. Uno de los caminos de la investigación en las TIC es la fusión de humanos, cosas (buques, astilleros) y ordenadores. La fusión del mundo real (sistema físico) y el ciberespacio (sistema cibernético) combinará la ingente cantidad de información de las redes de sensores instaladas en el mundo real con la poderosa capacidad informática del ciberespacio.

En este movimiento, cabe destacar el esfuerzo de extraer conocimientos completamente nuevos a partir de la gran cantidad de información (Big Data). Las decisiones de gestión y las decisiones políticas comienzan a basarse en analizar las correlaciones de los terabytes de datos. Podremos manejar estas enormes cantidades de datos como nunca antes: datos oceanográficos, datos de la operación del barco, datos de construcción de astilleros y datos personales (por ejemplo, monitoreo de la salud) de las tripulaciones y los trabajadores. Esto podría conducir a nuevas perspectivas sobre el diseño, la construcción y la operación del buque. Podremos tomar decisiones cuantitativas y racionales, yendo más allá de la intuición y la experiencia tradicionales.

La investigación busca nuevas formas de interactuar con los ordenadores. Las nuevas arquitecturas de ordenadores imitan el cerebro humano (computación neuro-sináptica). La conexión futura del cerebro humano y el ordenador puede ampliar las capacidades humanas; podrá ser posible transmitir las intenciones de alguien descargando los datos directamente desde el cerebro a un ordenador. Inversamente, será posible cargar conocimientos y habilidades en el cerebro, al estilo de lo que ocurría en la película Matrix.

Las habilidades de los trabajadores se transmitirán directamente de un cerebro a otro en lugar de instruir a través de palabras o textos. Nuestra noción de adquirir conocimiento a través de un tedioso y lento proceso puede convertirse en historia. Cuando esto suceda, tendrá un gran impacto en nuestra sociedad, especialmente en los esquemas de educación y capacitación. En cualquier caso, la tecnología de las TIC desempeña un papel clave para las innovaciones en diversos campos.

Transporte y logística

Diferentes actores de las industrias minorista y logística compiten para construir nuevas infraestructuras y modelos de negocios. Vemos la aparición de grandes instalaciones logísticas altamente automatizadas con el objetivo final de entregar productos a los clientes cuando y donde lo deseen. Es inevitable que esta tendencia también llegue al mundo marítimo. La logística terrestre y marítima estarán estrechamente conectadas.

Están empezando a surgir varias tecnologías que harán que el envío sea más competitivo, como el uso de drones, operaciones no tripuladas de barcos y puertos, nuevos conceptos de barcos (como buques de carga con diferentes configuraciones de carga para cada viaje) u operaciones de optimización y logística basado en el análisis de Big Data.

La tecnología del internet de las cosas y los análisis de Big Data ya se usan para los planes de mantenimiento basados ​​en la condición y la supervisión del rendimiento de los buques. En el futuro, veremos también cada vez más la operación de buques no tripulados.

Medio ambiente y energía

Como en el caso de las industrias automovilística y aeronáutica, veremos cómo la industria marítima evoluciona hacia escenarios de bajas emisiones de CO2 hasta llegar a la reducción total de la emisión de gases contaminantes. La visión de un futuro “buque de cero emisiones” combina varias tecnologías de ahorro de energía y fuentes de energía renovable, como la energía eólica y solar, los biocombustibles y el aprovechamiento de la energía de las mareas y las olas. La tecnología del hidrógeno jugará un papel clave, ya que éste permite el almacenamiento eficiente de la energía generada en alta mar, como la energía eólica y eólica, la energía solar o incluso la fotosíntesis artificial mediante el cultivo de algas marinas.

En general, el transporte marítimo sostenible tendrá un papel cada vez más importante. Como necesitamos proteger y preservar el hábitat de nuestros océanos, la gestión de los recursos biológicos y el agua de manera sostenible resultará en la demanda de un “buque de efectos no negativos”. El diseño y la operación de los barcos se alinearán con este objetivo final.

Este artículo es un extracto del resumen de la ponencia de Kohei Matsuo, del National Maritime Research Institute de Tokio en la conferencia HIPER (High-Performance Marine Vehicles), publicado originalmente en el número de noviembre de 2017 de la revista The Naval Architect de la Royal Institution of Naval Architects.


Juan A Oliveira es el responsable del Área de Ingeniería Naval Aplicada en CT Ingenieros. Desde 2013 edita y coordina el blog de temática naval vadebarcos.net. Puedes conectar con él a través de Twitter o LinkedIn.

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