Todos los medios de transporte se caracterizan por un hecho obvio: se mueven. Lograr el movimiento requiere de algún tipo de causa motriz. Una fuente de energía que pueda ser utilizada, de algún modo, para hacer efectivo el movimiento. Todos los medios de transporte modernos llevan consigo su propia causa motriz, que se convierte así, además, en un factor limitante para la carga útil (pues, al final, el verbo transportar necesita un objeto directo para tener sentido) y el rango de distancias alcanzable.

¿Todos? ¡No! Existe un sistema de transporte, con perdón del casi difunto barco de vela, que transmite regularmente energía generada en cualquier lugar a un vehículo en movimiento: el tren eléctrico. El siglo XIX vio eclosionar, en el contexto de la revolución industrial, el ferrocarril y la electricidad. Era cuestión de tiempo que alguien intentara un maridaje, en principio, retador. Las baterías, derivadas de los primeros trabajos de Alessandro Volta, eran artefactos frágiles, pesados y con una capacidad de almacenamiento escasa. Tal era que los primeros cochecitos eléctricos, apenas juguetes, tenían su capacidad de movimiento limitada por el cable que los conectaba a sus baterías [UPS 2018]. Sin mejoras radicales en la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica (que hoy, dos siglos después, aún esperamos), ¿quién plantearía un cable tan largo como para hacer de un transporte electrificado una proposición viable?

Los primeros trenes eléctricos

El primer ferrocarril electrificado funcionó como un prototipo durante 1876 en la localidad rusa de Sestroretsk, cercana a San Petersburgo [Nikolayenko 2013]. El ingeniero e inventor ucraniano Fiódor Apolónovich Pirotski dispuso conectores eléctricos en los raíles de un tramo de menos de cuatro kilómetros de longitud. Los propios raíles metálicos y las ruedas, también metálicas, cerraban un circuito eléctrico por el que el vehículo, una vagoneta dotada de un motor de corriente continua, podía desplazarse. Apenas tres años después, en la Exposición Industrial de Berlín de 1879, Werner von Siemens mostraba su primera locomotora eléctrica: un carrito de juguete tirando de tres pequeños coches con capacidad para seis pasajeros cada uno, alimentada por un sistema de tercer raíl electrificado. Validado el concepto, el mismo Siemens inauguró en 1881 el primer tranvía en el barrio berlinés de Lichterfelde, ya en servicio regular y con un tamaño apto para transportar hasta veintiséis adultos [BV 2007].

Estos primeros ferrocarriles electrificados tomaban su corriente de los propios raíles, a través de las ruedas, o mediante un raíl específico con el que el vehículo que circulaba se mantenía en contacto mediante una zapata metálica. Ni que decir tiene que aquí hay un desastre en ciernes. Pirotski pudo obviarlo gracias a que realizó sus pruebas en una zona poco poblada. Siemens decidió separar el trazado de su primer tranvía del resto de la calle mediante vallas, pero se vio obligado a dejar pasos abiertos. No hubo de transcurrir mucho tiempo sin que la práctica demostrara que los 180 voltios de corriente continua entre los raíles del tranvía eran más que suficientes para provocar graves quemaduras e incluso la muerte por electrocución a aquellas caballerías que tuvieran la mala fortuna, no tan improbable, de pisar con sus pezuñas herradas los dos raíles a la vez.

Gamberros decimonónicos

También hubo incidentes en los que se vieron involucrados chavales. Los gamberros decimonónicos pronto aprendieron que podían provocar cortocircuitos con trozos de alambre robado. Solo debían tener la precaución de dejarlos caer de modo que tocaran a la vez ambos raíles. ¡No podían simplemente colocarlos, so pena de llevarse una descarga potencialmente mortal! Los alambres se calentaban hasta ponerse al rojo, se desprendían vistosas y peligrosas chispas, y se hacía necesario interrumpir el servicio cuanto antes para evitar daños por cortocircuito en los equipos de alimentación eléctrica.

Siemens dio con la misma solución que tantos padres y madres, desde tiempos inmemoriales, habían aplicado: colocaría la electricidad en alto, como quien pone los cuchillos, los botes de compuestos tóxicos y las galletas bien arriba para no tentar a los niños. Había nacido la línea aérea de contacto. La primera prueba de concepto se mostró en el mismo año, en la Exposición Eléctrica Internacional de París. Dos años más tarde, en 1883, una línea de tranvía de Mödling, localidad cercana a Viena, capital del imperio austrohúngaro, fue electrificada con corriente continua a 550 voltios [Leitner 2007]. Pocos meses después se instaló ese mismo sistema en Lichterfelde, para lamento de los adolescentes locales y tranquilidad compartida de padres y autoridades.

El enchufe deslizante

Las primeras líneas aéreas de contacto surgieron a la vez que los primeros pantógrafos, unos dispositivos que podríamos describir funcionalmente con solo dos palabras: enchufe deslizante. Pero aquellos artefactos apenas se asemejaban a los que hoy reconoceríamos como tales. Eran sistemas de rodillos similares a las sujeciones de las cabinas de un teleférico. Las líneas aéreas, por su parte, eran tubos suspendidos en lugar de los actuales hilos atirantados. Más importante, se trataba de sistemas bipolares. Con dos pantógrafos y dos conductores suspendidos, para poder cerrar el circuito. Hoy esta configuración solo se ve en las pocas redes de trolebuses que quedan en el mundo.

Las mejoras fueron sucediéndose. Para empezar, los ingenieros se dieron cuenta de que podían ahorrarse la mitad del metal de la instalación y uno de los dos pantógrafos si permitían que el retorno de corriente se hiciera por los raíles. Esto funcionaba de forma segura porque, para electrocutarse, había que llevar una pértiga de algún material conductor capaz de alcanzar la parte en tensión del sistema, a muchos metros de altura. Por otra parte, se comprobó que la presencia de un tren no provocaba fugas de corriente peligrosas en las proximidades. La sustitución de los tubos iniciales por hilos tensados nos trajo el nombre hoy más habitual para este tipo de sistemas: catenaria, por la forma que adopta naturalmente una cadena colgada de sus extremos. A la vez, los pantógrafos evolucionaron hacia los sistemas actuales con bandas de frotación conductoras montadas sobre mesillas sujetas por un brazo articulado.

Pronto, los operadores de ferrocarriles suburbanos percibieron las ventajas de evolucionar hacia sistemas eléctricos. Con gran parte de sus trayectos y estaciones bajo tierra, dejarían de sofocar así a sus operarios y pasajeros con el humo y el hollín de las calderas de vapor. En estos entornos controlados, los raíles electrificados, normalmente en forma de un tercer raíl protegido, pudieron subsistir —como en el U-bahn de Berlín—. Muchas otras explotaciones, sin embargo, se ejecutaron con catenaria. A lo largo del siglo XX, conforme aumentaba el conocimiento de los ingenieros y la disponibilidad de centrales eléctricas, las ventajas de la electrificación fueron quedando en evidencia también para aplicaciones en superficie. Al principio fueron trenes de mercancías superando pendientes imposibles para su competencia de vapor. Más adelante, cuando el vapor alcanzó sus máximas prestaciones, la electricidad quedó como la única opción que podía mejorarlas radicalmente.

Una catenaria para cada uso

Hoy, la catenaria ferroviaria es un sistema muy optimizado [Keenor 2021]. Un macramé de alta tensión donde los requisitos eléctricos se entrelazan con los mecánicos para dar como resultado una familia de soluciones para el suministro de energía a transportes guiados sobre raíles de todo tipo. Tranvías, metros ligeros, metros convencionales, tren-trams, ferrocarriles metropolitanos y regionales, trenes de mercancías y de alta velocidad. Cada uno de ellos con diferentes necesidades que dan lugar a variantes técnicas a veces muy distintas entre sí. Hilos únicos en las catenarias tranviarias, donde es posible ahorrar al máximo en metal debido a las bajas velocidades y potencias eléctricas. Catenarias rígidas —perfiles de aluminio con un hilo de cobre embutido— que sacrifican la flexibilidad y las elevadas velocidades a cambio de una sección transversal más compacta y un mantenimiento simplificado, ideal en túneles de metro. Y, por fin, catenarias flexibles para dar servicio a ferrocarriles con grandes consumos eléctricos o altas velocidades de circulación.

Las catenarias flexibles son, hoy, la mejor forma de poner a disposición de un tren potencias eléctricas elevadas para solventar los requisitos típicos de tres tipos de tráfico diferentes: las cercanías, con sus frecuentes paradas y arranques, los trenes de mercancías, con consumos elevados, pero aproximadamente constantes y dependientes de la masa remolcada, y los trenes de alta velocidad, mucho más ligeros que un mercante, pero más rápidos. El hilo de contacto, un trefilado —alambre macizo— de cobre o aleación de cobre y plata, tensionado en tramos de longitud variable en el entorno del kilómetro, es un elemento crítico en todos los casos. Sujeto a importantes solicitaciones tanto eléctricas como mecánicas, asegurar que su comportamiento está dentro de los parámetros de diseño del sistema es fundamental para garantizar una buena alimentación de energía.

Sería lógico pensar que el comportamiento real de esta tecnología debería estar más que documentado, pero lo cierto es que el conocimiento de los administradores de infraestructura del sistema de la catenaria es sorprendentemente empírico. Muchos años de experiencia y la estandarización de los componentes —aunque normalmente limitada al ámbito de cada administración— han resultado en un sistema fiable y funcional que optimiza la durabilidad al mismo tiempo que mantiene los costes de materiales, fabricación y despliegue en un nivel aceptable. A la vez, la literatura científica ha ido desarrollando simulaciones mecánicas, térmicas y eléctricas que, partiendo de primeros principios, han aspirado a acotar los parámetros clave del funcionamiento de los equipos. Esto, sin embargo, no ha logrado alcanzar la meta de todo gestor industrial: el mantenimiento predictivo.

Bibliografía

[BV 2007] El primer tranvía electrificado de la historia en Lichterfelde, Berlín (en alemán): Berliner Verkehrsseiten (2007). Erste Straßenbahn in Groß-Lichterfelde (Berlin). Berliner Verkehrsseiten: Online-Magazin zur Berliner Verkehrsgeschichte.

[Keenor 2021] Manual de catenaria bajo licencia Creative Commons (en inglés): Keenor, G. (2021). Overhead line electrification for Railways (6th ed.).

[Leitner 2007] La primera electrificación en catenaria permanente en Mödling, Austria (en alemán): Leitner, R. (2007). Spezialforschungsbericht Moderne Wien und Zentraleuropa um 1900. Universität Graz. https://web.archive.org/web/20200711011526/http://www-gewi.kfunigraz.ac.at/moderne/sheft1l.htm

[Nikolayenko 2013] Fiódor Pirotski, el inventor del primer ferrocarril electrificado (en ruso): Nikolayenko, A., y Chepurin, S. (02/04/2013). Железная дорога. Zelenogorsk.

[UPS 2018] El primer coche eléctrico… de juguete (en inglés): UPS Battery Center. (06/06/2018). The First (Model) Electric Car: Ányos Jedlik 1828.

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Sobre el autor: Iván Rivera es ingeniero especializado en proyectos de innovación de productos y servicios para ferrocarriles.