La tribología, clave para afrontar desafíos globales

El término “tribología” se emplea para designar a la ciencia y tecnología que se ocupa de la fricción, el desgaste y la lubricación. Es evidente que el ser humano ha tenido que enfrentarse desde siempre a problemas tribológicos, como encender fuego con técnicas basadas en fricción o para implementar el movimiento rotatorio en máquinas. Los análisis fenomenológicos iniciales, basados en experiencias y observación, han ido dando paso al desarrollo de un profundo conocimiento científico, capaz de responder a grandes desafíos a nivel mundial.

Por el Prof. Javier Echávarri Otero.

Antecedentes

En la Antigüedad tenemos múltiples evidencias de la consideración de aspectos tribológicos. Algunos bajorrelieves egipcios muestran el uso de lubricación para facilitar el deslizamiento de estatuas pesadas [1,2]. También los tratados de Herón de Alejandría y de Vitruvio incluyen orientaciones para reducir la fricción y el desgaste [3,4]. Los primeros análisis sistemáticos datan del Renacimiento, cuando Leonardo da Vinci realiza experimentos sobre superficies en contacto y formula las primeras leyes fundamentales de la fricción. Unos siglos más tarde serían desarrolladas y completadas por Amontons, Coulomb y Newton [3].

Pese a que la atención a la tribología se remonta a épocas remotas, su verdadero impacto no se llega a cuantificar hasta 1966. Ese año Peter Jost acuña la palabra “tribología” en un informe encargado por el Gobierno del Reino Unido [4,5], en el que estima los posibles ahorros con mejores planteamientos en fricción, desgaste y lubricación. Su trabajo ha sido continuado hasta hoy por otros estudios en todo el mundo [6-8], de los que se desprende un potencial de ahorro de entre un 1 y un 2% del producto interior bruto (PIB) global.

La tribología en la actualidad

Desde la publicación del llamado “Informe Jost”, la investigación en tribología ha vivido un fuerte crecimiento. Se han desarrollado modelos de comportamiento de sistemas lubricados y herramientas de predicción muy potentes, apoyadas en el creciente desarrollo computacional y en el auge de los equipos de ensayo específicos [4]. Se han perfeccionado los lubricantes y se ha generalizado el uso de materiales compuestos, poliméricos y cerámicos, así como de los recubrimientos, para mejorar las propiedades superficiales [8]. El conocimiento generado se ha aplicado a evitar la aparición de fallos en máquinas, mejorar su eficiencia energética y ralentizar los fenómenos de desgaste. Como consecuencia, se ha conseguido economizar en materias primas y reducir la necesidad de mantenimiento y reparación.

A modo de ejemplo, en el último medio siglo, la tribología ha sido decisiva para conseguir bajar prácticamente a la mitad el consumo de combustible de los vehículos con motor de explosión [9], cada uno de los cuales puede contener miles de contactos tribológicos [4]. Si tenemos en cuenta las desorbitadas cifras de uso de vehículos, es fácil comprender que el impacto global ha sido inmenso. Además, el ahorro energético ha ido acompañado de la disminución de emisiones, tanto de efecto invernadero como de otros contaminantes, con un efecto directo en la calidad del aire y la salud de las personas.

Los próximos desafíos

A pesar de lo mucho conseguido, todavía en torno al 20% de la energía mundial se emplea en vencer la fricción, a lo que se suma otro 3% para refabricar componentes desgastados y repuestos [8]. Además de los avances en lubricación, los recubrimientos superficiales DLC (diamond-like carbon) están suponiendo una interesante alternativa a los tradicionales, con el fin de reducir aún más la fricción y el desgaste [8]. También se emplean otros tratamientos superficiales, como los texturizados, capaces de crear micro-depósitos de aceite y mejorar la lubricación [10,11], y que se pueden combinar con los recubrimientos DLC [12]. Asimismo, la utilización de técnicas de inteligencia artificial está contribuyendo a optimizar el diseño de superficies tribológicas con propiedades controladas [13].

La gestión de lubricantes usados representa un serio problema medioambiental, tanto por su toxicidad como por las ingentes cantidades. En el mundo se desechan en torno a 40 millones de toneladas de aceites al año [9], que en volumen equivalen a unas 800 veces la capacidad del Estanque Grande del Parque de El Retiro en Madrid. Lamentablemente, hay una gran parte que no se reprocesa y ha de ser absorbida por el entorno. Una solución puede venir de la mano de los “lubricantes verdes”, de alta biodegradabilidad y baja toxicidad, los cuales van ganando peso en la industria a la vez que se consigue mejorar sus prestaciones [14].

A medida que la tribología ha ido madurando han surgido nuevos campos, como la nanotribología, que estudia la fricción cuando las interacciones atómicas afectan al comportamiento del sistema. También analiza los mecanismos de eliminación de material a escala nano (y micro), dando lugar a tecnologías capaces de producir, por ejemplo, microlentes con excelente acabado superficial [9]. Otro campo emergente es la biotribología [4], que tiene como objetivo analizar los fenómenos de contacto en los tejidos vivos. En particular, las articulaciones del cuerpo humano (rodillas, caderas, columna, etc.) representan sistemas tribológicos de huesos en contacto, recubiertos de cartílago y lubricados con líquido sinovial. La aplicación de conocimientos de biotribología es indispensable, por ejemplo, para un adecuado diseño de prótesis médicas de articulaciones. Sobre todo, a medida que aumenta la esperanza de vida de la población mundial.

De todo lo anterior se deriva que la investigación y desarrollo con el foco en la tribología ha permitido generar gran cantidad de conocimiento científico, con sólidas bases teóricas y prácticas. Se han ido tendiendo muchos puentes entre este conocimiento y su aplicación a campos muy diversos, lo que en los últimos cincuenta años ha contribuido a lograr avances importantísimos para la sostenibilidad y el bienestar. La pregunta es cómo podrá afrontar la humanidad desafíos tan importantes e inminentes como la escasez de recursos, el rápido deterioro medioambiental y el cambio climático. El tiempo dirá… Lo que es evidente es que la investigación en tribología seguirá siendo clave para superarlos.

Breve CV

Javier Echávarri Otero es Profesor Titular del Departamento de Ingeniería Mecánica de la ETSI Industriales de la UPM. Su actividad Investigadora se centra en el modelado y la caracterización experimental de sistemas lubricados en máquinas.

Referencias

[1] Gohar R, Rahnejat H. “Fundamentals of tribology”. World Scientific Publishing Europe, 3ª edición, 2019.

https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/p836

[2] Bautista E, Ceccarelli M, Echávarri J, Muñoz JL. “A Brief Illustrated History of Machines and Mechanisms”. Springer, 2010.

https://link.springer.com/book/10.1007/978-90-481-2512-8

[3] Dowson D. “History of tribology”. Professional Engineering Publishing, 2ª edición, 1998.

[4] Echávarri J, De la Guerra E, Chacón E. “Tribology: A historical overview of the relation between theory and application”. Capítulo de libro “A bridge between conceptual frameworks: sciences, society and technology studies”. Springer, 2015.

https://link.springer.com/book/10.1007/978-94-017-9645-3

[5] Jost P. “Lubrication (tribology), education and research. A report on the present position and industry’s needs”. Publicado como un informe del Departamento de Educación y Ciencia de Gran Bretaña, el 9 de marzo de 1966.

[6] Pinkus O, Wilcock DF. “Strategy for Energy Conservation Through Tribology”. Tribology in Energy Technology Workshop. American Society of Mechanical Engineers (ASME), 1977.

[7] Jost P. “The tasks of tribology societies on a changing world”. Opening Address, Second World Tribology Congress. 2001.

[8] Holmberg K, Erdemir A. “The impact of tribology on energy use and CO₂ emission globally and in combustion engine and electric cars”. Tribology International 135, 389-396, 2019.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301679X19301446

[9] Stachowiak GW. “How tribology has been helping us to advance and to survive”. Friction 5(3): 233-247, 2017.

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s40544-017-0173-7.pdf

[10] De la Guerra, Echávarri J, Chacón E, Lafont P, Díaz A, Munoz-Guijosa JM, Muñoz JL. “Optimising lubricated friction coefficient by surface texturing”. IMechE Journal of Mechanical Engineering Science 227(11): 2610-2619, 2013.

https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0954406213476402

[11] Echávarri J, De la Guerra E, Bellón I, Chacón E. “Optimising the design of textured surfaces for reducing lubricated friction coefficient”. Lubrication Science 29 (3): 183-199, 2017.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ls.1363

[12] Bellón I, De la Guerra E, Echávarri J, Chacón E, Fernández I, Santiago JA. “Individual and combined effects of introducing DLC coating and textured surfaces in lubricated contacts”. Tribology International 151: 1-9, 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301679X20302772

[13] Marian M, Tremmel S. “Current Trends and Applications of Machine Learning in Tribology—A Review”. Lubricants 9: 86, 2021.

https://www.mdpi.com/2075-4442/9/9/86

[14] Bayat R, Lehtovaara A. “EHL/mixed transition of fully formulated environmentally acceptable gear oils”. Tribology International 146: 106158, 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X20300025