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Ingeniería

Minería con láser

Podrán emplear un haz de luz para perforar rocas en busca de minerales y petróleo

El laboratorio de la PUC-Río: las pruebas con haz de láser exhibieron mayor precisión

Arthur Braga/ Puc-RíoEl laboratorio de la PUC-Río: las pruebas con haz de láser exhibieron mayor precisiónArthur Braga/ Puc-Río

La explotación intensa y creciente de minerales ha generado la necesidad de buscar estos recursos en profundidades cada vez mayores. Esta dificultad lleva a las empresas internacionales del área de minería a invertir abultadas sumas en el desarrollo de nuevas tecnologías para perforar las rocas. Una de las más prometedoras herramientas en estudio en tal sentido es el láser. En Brasil, la empresa Vale financia un proyecto que va en esa línea, llevado adelante por investigadores de la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-Río), en colaboración con la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (UTFPR). Iniciado en 2010, este trabajo tiene por objeto el desarrollo de una tecnología nacional que comprende el empleo de luz láser de alta potencia para su aplicación en las industrias de minería y petróleo. El grupo de investigación de la PUC-Río, coordenado por el ingeniero mecánico Arthur Martins Barbosa Braga, estudia el uso de láseres para la perforación de rocas desde 2008. Ya se han depositado dos patentes en Brasil y una en el exterior.

“Nos dimos cuenta de que ciertos desarrollos importantes en el área, particularmente en lo que hace a diodos de alta potencia, fibras ópticas especiales y láseres de fibra, podrían hacer factible el uso de estas tecnologías para la perforación”, comenta Braga. “Se encuentran presentes en el mercado los láseres de fibra con una potencia de decenas de kilovatios. Al mismo tiempo, los de diodo se ha vuelto más eficientes y compactos, con bajísimas relaciones entre volumen y potencia”. Estos dos tipos de láseres de alta energía en principio pueden transmitirse por varios kilómetros en el interior de una fibra óptica. Según Braga, aún persisten algunos problemas tecnológicos que deben resolverse, debido a los efectos no lineales, que entorpecen la propagación de la luz de alta potencia en los núcleos de fibras de sílice. Pero se han venido haciendo progresos en las áreas de conectores y de fibras ópticas especiales, que en breve podrán resolver esta dificultad.

Otra posibilidad es la utilización de láseres de diodo compacto, de alta potencia (algunos kilovatios), pasible de transmisión mediante fibras ópticas con diámetros compatibles con las columnas o sartas de perforación. Ambas alternativas están siendo exploradas en el marco del proyecto de la PUC-Río, que cuenta con el patrocinio de Vale y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq).

El énfasis en la primera fase de las investigaciones recayó sobre los mecanismos de interacción entre los diferentes tipos de roca y la luz láser de alta potencia. El estudio apuntó a investigar los regímenes de operación, las franjas de potencia y las longitudes de onda de la luz compatibles con las aplicaciones y limitaciones impuestas por el ambiente operativo de la perforación. Los científicos montaron un aparato para las pruebas y están desarrollando un proyecto conceptual de un prototipo. Los resultados de la primera fase del proyecto también incluyen una mejor comprensión de los procesos de interacción entre la luz láser y las rocas.

Cuando esté lista, esta nueva herramienta reemplazará a los medios mecánicos empleados actualmente. El lanzador será introducido en la roca, que será perforada hasta la profundidad necesaria, que puede ser de algunos kilómetros partiendo de la superficie. Según el investigador de la PUC-Río, las primeras propuestas de utilización de láseres para la perforación de rocas y suelos surgieron durante la década de 1970, pero recién a finales de los años 1990 la tecnología empezó a volverse factible. Fue cuando surgieron los láseres de alta potencia, desarrollados para el programa Strategic Defense Initiative, más conocido como Guerra de las Galaxias, concebido en Estados Unidos en los años 1980. En los últimos años del siglo XX, nuevos desarrollos en el área de fotónica empezaron a hacer posible la utilización de láseres en perforaciones, más allá de los laboratorios.

Las ventajas inmediatas
De acuerdo con Braga, los avances recientes han sido significativos. “En la actualidad varias tecnologías –basadas en semiconductores, fibra óptica y láseres compactos de alta potencia– se muestran lo suficientemente maduras como para empleárselas en la perforación de rocas”, dice. Las ventajas de esta tecnología sobre los sistemas mecánicos son muchas, tales como perforar diámetros con mayor precisión y aumentar y mejorar el índice de penetración, que puede ser de 10 a 100 veces mayor que los obtenidos mediante el empleo de las técnicas convencionales. Asimismo, con el láser es posible perforar rocas y metales con distintas composiciones, sin necesidad de reemplazar el trépano. Otra ventaja radica en la menor cantidad de partes mecánicas móviles presentes en el sistema, lo que reduce los costos de mantenimiento. “Es posible a su vez mantener un mayor control de la profundidad, el diámetro y la dirección de perforación”, añade Braga.

Este proyecto en asociación con la PUC-Rio es tan sólo un de los que reciben inversiones de Vale. Entre 2009 y 2012, la empresa destinó 402 millones de reales a proyectos, de los cuales 338 millones de reales provinieron de recursos propios y 64 millones de socios externos, tales como el Banco Nacional de Desarrollo Económico y Social (BNDES), el CNPq y las Fundaciones Estaduales de Apoyo a la Investigación Científica (FAPs). Las inversiones abarcan 161 proyectos y 821 becas de investigación en Brasil y en el exterior. Estos proyectos se realizan con el concepto de innovación abierta, que le permitió a la compañía minera atraer y tener acceso a recursos mediante la concreción de asociaciones. Existen buenas razones para que la empresa invierta en investigación y desarrollo. “Actualmente, los minerales poseen tenores del elemento químico de interés ubicados muy por debajo de los que tenían hace 20 ó 50 años”, explica Luiz Eugênio Mello, director del Instituto Tecnológico de Vale (ITV). “Y dentro de 10 ó 50 años, serán mucho menores que los actuales: de allí la necesidad de invertir más en tecnología.”

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