Tanque de lastre

Un tanque de lastre es un compartimento dentro de un barco, buque u otra estructura flotante que contiene agua, la cual se utiliza como lastre para proporcionar estabilidad hidrostática a la embarcación, para reducir o controlar la flotabilidad , como en un submarino , para corregir el asiento o la escora , para proporcionar una distribución de carga más uniforme a lo largo del casco para reducir las tensiones estructurales de pandeo o pandeo , o para aumentar el calado , como en un buque o plataforma semisumergible , o un SWATH , para mejorar la navegabilidad . El uso de agua en un tanque facilita el ajuste del peso en comparación con el lastre de piedra o hierro utilizado en embarcaciones más antiguas, y facilita a la tripulación la reducción del calado de la embarcación cuando entra en aguas menos profundas, mediante el bombeo temporal del lastre. Los dirigibles utilizan tanques de lastre principalmente para controlar la flotabilidad y corregir el asiento.

El concepto de tanques de lastre, inspirado en la naturaleza, se observa en organismos acuáticos como el pez globo y el pulpo argonauta , que regulan su flotabilidad para desplazarse y sobrevivir en el agua. El ser humano ha adaptado y perfeccionado esta idea para diversas aplicaciones, especialmente en la ingeniería marítima y submarina.

El primer uso documentado de un tanque de lastre en un submarino se remonta al Turtle de David Bushnell en 1776, que desempeñó un papel histórico como el primer submarino de combate. El sistema de lastre le permitía sumergirse y emerger con eficacia. Posteriormente, en 1849, Abraham Lincoln , entonces abogado en ejercicio, patentó un sistema de tanque de lastre diseñado para ayudar a los buques de carga a navegar por aguas poco profundas ajustando su flotabilidad. Esta innovación demostró cómo el concepto de lastre se ha reinventado repetidamente para afrontar desafíos específicos en la tecnología marina.

El lastre se utiliza en buques de superficie para modificar el calado, el asiento, la escora y la estabilidad. También puede utilizarse para modificar la distribución de carga estructural , generalmente la distribución de carga longitudinal, que afecta a las tensiones de pandeo y flexión. Asimismo, puede emplearse para cambiar los momentos de inercia que afectan al movimiento en alta mar. Los acuerdos internacionales en el marco del Convenio Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS) exigen que los buques de carga y de pasajeros se construyan para resistir ciertos tipos de daños. Los criterios especifican la separación de los compartimentos dentro del buque y la subdivisión de dichos compartimentos. Estos acuerdos internacionales dependen de que los Estados firmantes implementen las regulaciones en sus aguas y en los buques autorizados a enarbolar su pabellón. El lastre puede utilizarse para compensar las pérdidas de estabilidad debidas a la inundación de algunos compartimentos.

El lastre es generalmente el agua en la que flota el buque al momento del lastrado, como el agua de mar , que se bombea a los tanques de lastre. Según el tipo de buque, los tanques pueden ser de doble fondo (que se extienden a lo ancho del buque), tanques laterales (ubicados en la zona exterior, desde la quilla hasta la cubierta) o tanques de tolva (que ocupan la sección superior de la esquina entre el casco y la cubierta principal). Estos tanques de lastre están conectados a bombas que bombean agua hacia dentro o hacia fuera. Las tripulaciones llenan estos tanques para añadir peso al buque y mejorar su estabilidad cuando no transporta carga. En condiciones extremas, una tripulación puede bombear agua de lastre a los compartimentos de carga designados para añadir peso adicional durante condiciones climáticas adversas o para pasar por debajo de puentes bajos.

En los sumergibles y submarinos , los tanques de lastre se utilizan para controlar la flotabilidad de la embarcación.

Algunos sumergibles, como los batiscafos , se sumergen y vuelven a la superficie controlando únicamente su flotabilidad. Para sumergirse, inundan los tanques de lastre y, para volver a la superficie, sueltan pesas de lastre desechables o utilizan aire comprimido almacenado para vaciar los tanques y recuperar su flotabilidad.

Los submarinos son más grandes, más sofisticados y cuentan con una potente propulsión subacuática. Deben recorrer distancias horizontales sumergidos, requieren un control preciso de la profundidad, pero no descienden a gran profundidad ni necesitan realizar inmersiones verticales para mantenerse en posición. Su principal medio para controlar la profundidad son sus planos de inmersión (hidroplanos en el Reino Unido ), en combinación con el movimiento hacia adelante. En la superficie, los tanques de lastre se vacían para proporcionar flotabilidad positiva. Al sumergirse, los tanques de lastre principales se inundan para lograr una flotabilidad aproximadamente neutra. Los tanques de control de profundidad se utilizan para un control preciso de la flotabilidad mediante el bombeo de agua para compensar las variaciones de peso. El agua de lastre se puede transferir entre los tanques de trimado para equilibrar la embarcación en posición horizontal. Los planos se ajustan entonces conjuntamente para impulsar el casco hacia abajo, manteniendo la posición horizontal. Para una inmersión más pronunciada, los planos de popa se pueden invertir y utilizar para inclinar el casco hacia abajo.

La tripulación sumerge el submarino abriendo las válvulas de ventilación en la parte superior de los tanques de lastre principales y las válvulas en la parte inferior. Esto permite que el agua inunde el tanque mientras el aire escapa por las válvulas superiores. A medida que el aire escapa del tanque, la flotabilidad del submarino disminuye, lo que provoca su hundimiento. Para que el submarino salga a la superficie, la tripulación cierra las válvulas de ventilación en la parte superior de los tanques de lastre y libera aire comprimido en ellos. El aire a alta presión se acumula en la parte superior de los tanques y la bolsa de aire empuja el agua hacia afuera a través de las válvulas inferiores, aumentando la flotabilidad del submarino y provocando su ascenso. A medida que asciende, la presión hidrostática disminuye, lo que hace que el aire se expanda en los tanques y acelere la velocidad de ascenso hasta que el exceso escapa por las válvulas inferiores y se alcanza la flotabilidad máxima. Un submarino puede tener varios tipos de tanques de lastre: tanques de lastre principales para inmersión y ascenso, tanques de trimado para ajustar la actitud del submarino (su «trimado») tanto en la superficie como bajo el agua, y tanques de control de profundidad para ajustes finos de flotabilidad. ^{[ 1 ]}

Los tanques de lastre desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la estabilidad y la funcionalidad de diversas estructuras marinas y en alta mar . En las plataformas petrolíferas de aguas profundas y las turbinas eólicas flotantes , el lastre se utiliza para mejorar la estabilidad hidrostática al reducir el centro de masa por debajo del centro de flotabilidad. Esto garantiza que estas estructuras permanezcan estables, incluso en condiciones de mar agitado. Además, los ajustes del lastre permiten que las plataformas alternen entre un modo de calado profundo, optimizado para reducir el movimiento en las olas, y un modo de menor resistencia para facilitar el remolque y el transporte.

Los diques secos flotantes utilizan tanques de lastre para hundir sus cubiertas por debajo del nivel del agua, lo que permite colocar las embarcaciones en posición para el atraque. Una vez aseguradas, se descarga el lastre, elevando tanto el dique como la embarcación por encima de la línea de flotación. Para lograr esto, la estructura bajo la cubierta de soporte se divide en varios tanques de lastre para un control preciso. Las versiones más pequeñas, conocidas como elevadores flotantes de embarcaciones, funcionan con el mismo principio y a menudo sirven como instalaciones de almacenamiento para embarcaciones individuales.

En las operaciones de dique seco y esclusas, las compuertas de cajón utilizan tanques de lastre para lograr un sellado seguro. Estas compuertas se colocan flotando en su posición y, a continuación, se inundan sus tanques de lastre para hundirlas y mantenerlas firmemente sobre el umbral. Esto crea un sello hermético que permite el vaciado del dique o la esclusa. Por lo tanto, los sistemas de lastre proporcionan una funcionalidad crucial no solo para la estabilidad, sino también para la flexibilidad operativa en diversas aplicaciones marítimas.

Además de su función principal en el mantenimiento de la estabilidad, los tanques de lastre en la ingeniería marina y offshore moderna son esenciales para optimizar el rendimiento de diversos sistemas. Por ejemplo, en plataformas marinas y aerogeneradores flotantes, los sistemas de lastre avanzados suelen estar equipados con mecanismos de control automatizados que permiten monitorizar y ajustar continuamente los niveles de lastre en función de las condiciones cambiantes del mar. Esta adaptabilidad ayuda a optimizar el rendimiento y la seguridad, especialmente en condiciones ambientales adversas como tormentas o vientos fuertes. Asimismo, se están desarrollando nuevas tecnologías, como materiales de lastre ligeros y sistemas híbridos que combinan lastre de agua con materiales sólidos, para mejorar la eficiencia y reducir el impacto ambiental. Estos avances buscan reducir el consumo de energía durante las operaciones de lastre y minimizar la huella de carbono de las estructuras offshore. Adicionalmente, con la creciente tendencia de las estructuras y embarcaciones flotantes, el diseño de los sistemas de lastre ha evolucionado para incluir modelos más sofisticados que integran la dinámica de fluidos y el análisis de datos en tiempo real para un control mejorado, lo que permite una gestión de la estabilidad más precisa y una mayor resistencia a las fuerzas dinámicas del océano.

La mayoría de las embarcaciones con motor intraborda específicas para wakeboard cuentan con múltiples tanques de lastre integrados que se llenan de agua mediante bombas controladas desde el puesto de mando con interruptores basculantes . Normalmente, la configuración se basa en un sistema de tres tanques: uno en el centro de la embarcación y dos más en la popa, a ambos lados del compartimento del motor. Al igual que en los barcos más grandes, al añadir lastre de agua a embarcaciones de wakeboard más pequeñas , el casco tiene un centro de gravedad más bajo y aumenta el calado . La mayoría de los sistemas de lastre de fábrica para embarcaciones de wakeboard se pueden ampliar añadiendo bolsas de lastre flexibles. Aumentar el desplazamiento mediante el lastre provoca que la embarcación genere olas más grandes a cualquier velocidad, a costa de mayores requerimientos de potencia y carga de la hélice para alcanzar dicha velocidad. ^{[ 2 ]}

Los tanques de lastre también se utilizan en ciertos tipos de aeronaves, particularmente en aerostatos como globos y dirigibles , para mantener la estabilidad y el control durante el vuelo. En estos vehículos más ligeros que el aire, el lastre desempeña un papel crucial en el ajuste de la flotabilidad, permitiendo que la aeronave ascienda, descienda o se mantenga a la altitud deseada. En este contexto, el lastre generalmente consiste en materiales como agua, arena u otras sustancias pesadas que se pueden agregar o quitar según sea necesario. ^{[ 3 ]}

Los aerostatos , que incluyen tanto globos aerostáticos como dirigibles, se basan en el principio de flotabilidad para mantenerse en el aire. La cantidad de lastre a bordo afecta directamente la capacidad de la aeronave para controlar su posición vertical . Por ejemplo, un globo aerostático puede necesitar liberar lastre para aumentar su altitud o añadirlo al descender. En cambio, los dirigibles, que cuentan con motores y un sistema de dirección, utilizan el lastre para ajustar con precisión su posición vertical, especialmente durante las maniobras o al compensar los cambios de presión o temperatura del aire.

En los dirigibles, el lastre es fundamental para mantener el equilibrio. Estos están equipados con tanques de lastre que ayudan a estabilizar la aeronave, permitiendo a los operadores ajustar la distribución del peso. Cuando un dirigible asciende, el gas dentro de su envoltura (generalmente helio o hidrógeno) comienza a expandirse debido a que está rodeado por aire atmosférico cada vez menos denso, lo que reduce la resistencia contra la envoltura. Esto permite que el gas se expanda, aumentando el desplazamiento atmosférico y, por consiguiente, la flotabilidad, lo que provoca que el dirigible gane altitud. Al liberar el gas de sustentación (helio o hidrógeno), el operador puede evitar que el dirigible ascienda demasiado rápido o pierda el control. De manera similar, si un dirigible desciende demasiado rápido o necesita estabilizarse a una altura específica, se libera lastre (a veces denominado "descarga" de lastre) para compensar la flotabilidad insuficiente, que es la causa del aumento de la velocidad vertical durante el descenso.

El uso de lastre en los aerostatos no se limita al control operativo; también cumple una función de seguridad. Ante cambios bruscos en las condiciones meteorológicas, como ráfagas de viento o fluctuaciones de temperatura, el lastre se puede ajustar para mantener la estabilidad de la aeronave y reducir el riesgo de accidentes. En muchos dirigibles modernos, se utilizan sistemas automatizados para monitorizar y gestionar el lastre, asegurando que la aeronave mantenga el peso y el equilibrio óptimos durante todo el vuelo.

Con el tiempo, el uso de lastre en los aerostatos ha evolucionado gracias a la tecnología. Históricamente, se empleaban métodos manuales para gestionar el lastre, con la tripulación añadiendo o liberando materiales manualmente. Hoy en día, algunos dirigibles y globos modernos utilizan técnicas más avanzadas, como sensores sofisticados y sistemas de liberación automatizados, para optimizar la gestión del lastre. Estos sistemas pueden ajustar automáticamente los niveles de lastre en función de la altitud, la distribución del peso e incluso la velocidad de ascenso o descenso, ofreciendo mayor precisión y control.

Además, los sistemas de lastre en los aerostatos se diseñan teniendo en cuenta el impacto ambiental. Los materiales utilizados para el lastre deben ser fáciles de manipular y, en algunos casos, respetuosos con el medio ambiente. Por ejemplo, algunos dirigibles más modernos utilizan materiales biodegradables para el lastre, lo que reduce la huella ambiental de sus operaciones. La gestión de los tanques de lastre también se ha vuelto más eficiente, con diseños que minimizan el espacio necesario para su almacenamiento, lo que permite disponer de más espacio para pasajeros y equipos.

La relación entre el lastre y la flotabilidad en los aerostatos también pone de manifiesto los principios de la física que rigen la aviación. En un globo aerostático, la liberación del lastre provoca su ascenso, mientras que en un dirigible, el cuidadoso equilibrio del lastre garantiza que la aeronave mantenga una altitud constante. Al controlar la distribución del peso, los pilotos pueden ajustar con precisión su trayectoria de vuelo, lo que les permite navegar a través de corrientes de aire y condiciones meteorológicas variables. Esto es especialmente importante para los dirigibles, que suelen volar a menor altitud y en entornos más dinámicos que los aviones tradicionales.

En aplicaciones militares, los tanques de lastre de los dirigibles se han utilizado para reconocimiento , vigilancia y otros fines estratégicos. La capacidad de ajustar la altitud con precisión hace que los dirigibles sean muy valiosos para tareas que requieren observación prolongada, como el seguimiento de los movimientos enemigos o el reconocimiento de grandes áreas. Los sistemas de gestión de lastre de estos dirigibles garantizan que puedan mantenerse en posición durante períodos prolongados, lo que proporciona una ventaja en situaciones donde se necesita un control constante de la altitud.

En conclusión, los tanques de lastre en las aeronaves, especialmente en aerostatos como globos y dirigibles, son parte integral del control de vuelo, ofreciendo estabilidad, seguridad y una gestión precisa de la altitud . Ya sea en globos aerostáticos recreativos, dirigibles comerciales o aerostatos militares, los sistemas de lastre garantizan que estas aeronaves puedan operar de manera eficiente y segura en diversas condiciones. A medida que la tecnología continúa avanzando, el futuro de la gestión del lastre en aerostatos podría experimentar nuevas innovaciones, mejorando el control, el rendimiento y la sostenibilidad en la aviación más ligera que el aire.

Cuando los barcos toman agua de lastre de un cuerpo de agua y la vierten en otro, pueden introducir especies no nativas que dañan los ecosistemas y las economías locales, como el mejillón cebra , que contaminó los Grandes Lagos de Canadá y Estados Unidos a través del agua de lastre. Estos mejillones se propagan rápidamente, alterando los ecosistemas, desplazando a las especies nativas y dañándolas, lo que modifica su distribución natural en todo el mundo. Esta es una importante preocupación ambiental que se observa con frecuencia tanto en macroinvertebrados como en pequeños organismos.

Para abordar este problema, normativas internacionales como el Convenio sobre la Gestión del Agua de Lastre exigen que los buques traten el agua de lastre antes de descargarla. Métodos como la filtración y el tratamiento con luz ultravioleta ayudan a reducir el riesgo de propagación de especies invasoras, protegiendo así los ecosistemas marinos en todo el mundo.

Los macroinvertebrados también pueden llegar a los tanques de lastre, transportados regularmente por buques transoceánicos y costeros que llegan a puertos de todo el mundo. Investigadores suizos analizaron 67 tanques de lastre de 62 buques diferentes que operaban en rutas geográficas específicas, analizando el intercambio en alta mar o la duración del viaje, factores que aumentaban la probabilidad de que los macroinvertebrados se trasladaran a otra parte del mundo. Descubrieron la presencia de cangrejos verdes europeos , cangrejos de fango , caracoles marinos , almejas de concha blanda y mejillones azules , especies altamente invasoras , en los tanques de lastre de los buques analizados. Si bien las densidades de macroinvertebrados eran bajas, la invasión de especies no nativas representa un peligro durante sus épocas de reproducción. El efecto más grave se observa cuando una hembra de macroinvertebrado porta millones de huevos. ^{[ 4 ]}

Para controlar esto, los operarios del buque revisan los tanques de lastre en busca de organismos vivos de 50 micrómetros o más. Estas revisiones también proporcionan información sobre los niveles de sedimentos, como la presencia de diferentes tipos de roca o tierra en el tanque. Durante la toma de muestras, la cantidad de organismos encontrados en el agua de lastre puede variar según la ubicación dentro del tanque, y los patrones de sedimentación también pueden diferir entre las distintas pruebas.

La forma más eficaz de tomar muestras de tanques estratificados es recolectar varias muestras integradas en el tiempo a intervalos regulares durante la descarga del tanque, lo que garantiza una comprensión más precisa de los organismos y sedimentos presentes.

Todos los buques transoceánicos que ingresan a los Grandes Lagos deben gestionar el agua de lastre y los residuos de los tanques de lastre con agua de lastre para limpiar y reemplazar el agua de lastre para el lavado de los tanques. La gestión y los procedimientos reducen eficazmente la densidad y la riqueza de la biota en el agua de lastre y, por lo tanto, reducen el riesgo de transportar organismos de otras partes del mundo a áreas no nativas. Aunque la mayoría de los barcos gestionan el agua de lastre, no todos pueden limpiar los tanques. En caso de emergencia, cuando la tripulación puede limpiar los organismos residuales, utilizan salmuera de cloruro de sodio (sal) para tratar los tanques de lastre. Los buques que llegan a los Grandes Lagos y a los puertos del Mar del Norte fueron expuestos a altas concentraciones de cloruro de sodio hasta alcanzar una tasa de mortalidad del 100 %. Los resultados muestran que una exposición al 115 % de salmuera es un tratamiento extremadamente eficaz que resulta en una tasa de mortalidad del 99,9 % de los organismos vivos en los tanques de lastre, independientemente del tipo de organismo. Hubo una mediana del 0 %. Se espera que entre el 0,00% y el 5,33% de los organismos sobrevivan al tratamiento con cloruro de sodio. ^{[ 5 ]}

El Convenio sobre la Gestión del Agua de Lastre, adoptado por la Organización Marítima Internacional (OMI) el 13 de febrero de 2004, tiene como objetivo prevenir la propagación de organismos acuáticos nocivos de una región a otra, estableciendo normas y procedimientos para la gestión y el control del agua de lastre y los sedimentos de los buques. Este convenio entró en vigor a nivel mundial el 8 de septiembre de 2017. ^{[ 6 ]} Según el convenio, todos los buques que realizan tráfico internacional deben gestionar su agua de lastre y sedimentos conforme a un estándar determinado, de acuerdo con un plan de gestión del agua de lastre específico para cada buque. Todos los buques también deberán llevar un libro de registro de agua de lastre y un certificado internacional de gestión del agua de lastre. Las normas de gestión del agua de lastre se implementarán gradualmente. Como solución intermedia, los buques deberían intercambiar el agua de lastre en alta mar. Sin embargo, con el tiempo, la mayoría de los buques necesitarán instalar un sistema de tratamiento de agua de lastre a bordo. ^{[ 6 ]}

Se han elaborado varias directrices para facilitar la implementación del convenio. Este exigirá que todos los buques implementen un Plan de Gestión de Aguas de Lastre y Sedimentos. Todos los buques deberán llevar un Libro de Registro de Aguas de Lastre y deberán llevar a cabo procedimientos de gestión de aguas de lastre conforme a un estándar determinado. Los buques existentes deberán hacer lo mismo, pero tras un período de adaptación. ^{[ 6 ]}

Uno de los problemas más comunes en el mantenimiento de buques es la corrosión que se produce en el espacio de doble casco que ocupan los tanques de lastre en los buques mercantes. ^{[ 7 ]} La biodegradación de los recubrimientos de los tanques de lastre tiene lugar en ambientes marinos. Los tanques de lastre suelen contener bacterias y otros organismos, algunos de los cuales pueden dañar el recubrimiento y la estructura del tanque. ^{[ 1 ]}

Se han encontrado microfisuras y pequeños orificios en los tanques de lastre. Las bacterias ácidas crearon orificios de 0,2 a 0,9  μm de longitud y de 4 a 9  μm de ancho. La comunidad microbiana natural causó fisuras de 2 a 8  μm de profundidad y 1  μm de longitud. Los recubrimientos afectados por las bacterias disminuyeron su resistencia a la corrosión, según lo evaluado mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). ^{[ 1 ]}

La comunidad bacteriana natural presente en los tanques de lastre puede debilitar la resistencia a la corrosión de los recubrimientos protectores con el tiempo. Tras unos 40 días de exposición, esto puede provocar la formación de ampollas en la superficie del tanque. Estas bacterias también pueden contribuir a la formación de biopelículas específicas , que podrían influir en distintos tipos de daños en los recubrimientos. Sin embargo, es necesario esclarecer los mecanismos exactos implicados.