Modelado multiescala de hollín en llamas laminares

Estudio en PECS sobre modelado multiescala de hollín en llamas laminares liderado por investigadores de la Universidad Técnica Federico Santa María para mitigar impactos ambientales y de salud. Esta investigación, publicada en la prestigiosa revista científica Progress in Energy and Combustion Science, representa la culminación de más de quince años de trabajo colaborativo internacional. El artículo analiza exhaustivamente los métodos macroscópicos y de mesoescala para predecir la formación, el crecimiento y la compleja morfología de las partículas de hollín en procesos de combustión controlados. Al centrarse en llamas laminares, los autores logran aislar fenómenos esenciales sin la interferencia de la turbulencia, proporcionando guías fundamentales para la simulación y validación científica. Este avance no solo profundiza en el conocimiento académico, sino que ofrece herramientas críticas para optimizar tecnologías de energía limpia y reducir las emisiones de material particulado fino que afectan la salud humana y el calentamiento global. La colaboración entre instituciones de Chile, Francia, Canadá y los Países Bajos subraya la capacidad de la ciencia chilena para liderar debates científicos globales.

Un equipo internacional de científicos, con una destacada participación de académicos de la Universidad Técnica Federico Santa María, publicó una revisión sistemática de 64 páginas sobre el modelado de la agregación de hollín. El artículo, titulado “Progress in multi-scale modeling of soot particle aggregation in laminar sooting flames”, detalla cómo estas partículas evolucionan desde su etapa de formación inicial hasta convertirse en complejos agregados fractales. El estudio fue seleccionado para el volumen 110 de Progress in Energy and Combustion Science, considerada una de las revistas más influyentes a nivel mundial en el campo de la energía y la combustión. Este trabajo sintetiza décadas de progreso en la descripción matemática de la dinámica de partículas, abordando desde ecuaciones de balance poblacional hasta modelos estocásticos avanzados de mesoescala. La publicación marca un hito institucional significativo, ya que constituye uno de los tres únicos artículos con afiliación chilena en la historia de esta revista científica líder.

El estudio es el resultado de una colaboración estratégica entre destacados investigadores de diversas instituciones globales, incluyendo al Dr. Fengshan Liu, Dr. Jérôme Yon y Dr. Georgios A. Kelesidis. Por parte de la USM, el equipo estuvo integrado por Dr. Andrés Hernán Fuentes Castillo, vicerrector académico y profesor titular, junto con Dr. Felipe Andrés Escudero Barros, académico del Departamento de Industrias de la misma casa de estudios. Asimismo, destaca la contribución fundamental de Dr. José Morán, exalumno de la USM y actual académico en la Universidad de Ottawa, lo que evidencia la sólida capacidad formativa de la institución chilena en niveles de postgrado. La red de colaboración internacional se extiende a centros de investigación en Canadá, Francia y los Países Bajos, integrando perfiles de expertos en física, mecánica y termodinámica. Este círculo virtuoso entre formación e investigación de excelencia permite que el conocimiento generado en Chile se proyecte con autoridad hacia la frontera del conocimiento científico internacional.

Aunque la publicación tiene un impacto y alcance global, las raíces de este trabajo científico se encuentran en la Universidad Técnica Federico Santa María, en Chile, donde se inició hace aproximadamente 15 años. El desarrollo y fortalecimiento de esta línea investigativa se ha llevado a cabo en los laboratorios y departamentos académicos de la USM, logrando una integración exitosa con redes de investigación de clase mundial en Europa y Norteamérica. Las simulaciones complejas y los análisis comparativos de casos de estudio mencionados en el artículo involucraron recursos computacionales de la Universidad de Minnesota y colaboraciones en el Laboratorio CORIA en Francia. Esta infraestructura científica descentralizada permitió validar modelos teóricos complejos bajo condiciones específicas de llamas laminares, aislando variables críticas de la cinética química. Finalmente, la publicación en PECS consolida la presencia de la ciencia desarrollada en Valparaíso dentro del panorama académico más exigente del mundo, demostrando que la investigación nacional puede liderar proyectos de alta complejidad tecnológica.

La versión final de este extenso artículo de revisión fue publicada oficialmente en septiembre de 2025, integrándose formalmente al volumen 110 de la revista científica. No obstante, la trayectoria que dio origen a este exhaustivo documento académico abarca más de una década y media de investigación continua liderada desde los departamentos de la USM. Durante este extenso periodo, se desarrollaron múltiples tesis de magíster y doctorado que alimentaron la base empírica y teórica del estudio final presentado al mundo. El cronograma de trabajo incluyó la validación rigurosa de métodos numéricos y la síntesis de la literatura científica más reciente, un proceso que culminó con el anuncio formal por parte de la universidad en octubre de 2025. Este hito temporal es crucial, ya que coincide con regulaciones internacionales más estrictas sobre emisiones de partículas ultrafinas, aumentando la relevancia de contar con modelos predictivos precisos en la actualidad. La vigencia de los datos asegura su utilidad para investigadores futuros.

La relevancia de esta investigación radica en que el hollín es reconocido como uno de los mayores forzadores climáticos y un contaminante crítico para la salud humana. Comprender la morfología detallada de estas nanopartículas es fundamental, ya que su toxicidad y propiedades ópticas dependen estrictamente de su tamaño y estructura fractal compleja. El modelado multiescala presentado permite predecir estas características con una precisión sin precedentes, facilitando el diseño de sistemas de combustión más limpios y eficientes para la industria. Además, para Chile, esta publicación es un testimonio del nivel de excelencia alcanzado por sus investigadores, situando a la USM en la frontera del conocimiento en energía y conversión. El estudio también impacta directamente en el sector industrial, pues ofrece guías claras para optimizar la producción de negro de humo, un nanomaterial esencial en diversas aplicaciones económicas globales. En definitiva, el trabajo vincula la ciencia básica con la mitigación de crisis ambientales globales.

El objetivo principal es proporcionar un recurso de referencia global que permita a ingenieros y científicos predecir la dinámica de partículas en procesos avanzados de conversión de energía. Estas herramientas de modelado son directamente aplicables a la síntesis en llama de nanopartículas avanzadas, como el dióxido de titanio o el óxido de cobre. Dichas tecnologías son piezas clave para habilitar aplicaciones críticas como la captura de CO2, la producción de hidrógeno verde y el desarrollo de nuevos semiconductores de alto rendimiento. Al controlar la morfología del hollín y otras partículas, se pueden mejorar significativamente las propiedades de absorción y dispersión de luz, vitales para diagnósticos ópticos precisos en motores y calderas industriales. Asimismo, el estudio sirve para establecer protocolos de validación de simulaciones numéricas que eviten la complejidad de la turbulencia, permitiendo un enfoque más riguroso en la cinética de las partículas. Es un puente entre la teoría y la ingeniería aplicada.

Los investigadores realizaron una revisión profunda de los métodos macroscópicos, como el Método de Momentos (MOM) y los Métodos seccionales (SM), que resuelven la ecuación de balance poblacional. De forma paralela, analizaron técnicas de mesoescala estado del arte, incluyendo el Método de Elementos Discretos (DEM), códigos Monte Carlo (MCAC) y modelos estocásticos detallados. A través de tres casos de estudio específicos, compararon cómo estas diferentes aproximaciones numéricas afectan la predicción del tamaño y la morfología de las partículas en llamas laminares. Este análisis permitió identificar cómo el crecimiento superficial y la agregación interactúan para definir la estructura física de las nanopartículas de hollín. La metodología empleada logró aislar los mecanismos esenciales de interacción entre partículas, proporcionando una comprensión clara de la formación de cuellos entre esferas primarias. El resultado es una guía exhaustiva que detalla las fortalezas y limitaciones de cada enfoque computacional moderno.

Fuentes Castillo destacó que: “Este trabajo es la consolidación de más de 15 años de desarrollo iniciado en la UTFSM y fortalecido con redes de clase mundial. Demuestra que desde Chile y desde la USM se puede generar conocimiento de primer nivel para el mundo”. La colaboración con redes internacionales ha sido clave para fortalecer este círculo virtuoso de investigación e impacto global desde Chile. Por su parte, el académico Felipe Escudero expresó su orgullo, señalando que: “Este artículo es fruto de un trabajo de largo aliento y un ejemplo concreto de que la investigación hecha en Chile puede liderar conversaciones científicas globales”. Los autores subrayan que, aunque persisten desafíos en la comprensión de la formación inicial del hollín, el progreso en el modelado de la agregación es significativo. La comunidad académica reconoce que este estudio llena un vacío importante en la literatura al integrar diversas escalas de modelado en un solo documento de referencia técnica. La participación de investigadores nacionales en revistas como PECS posiciona a Chile como un referente regional en energía.

El equipo de investigadores planea continuar profundizando en la caracterización de la toxicidad y la morfología del hollín generado por combustibles de próxima generación, como los e-fuels¹ y biocombustibles. Existen proyectos vigentes, financiados por Fondecyt, que buscan utilizar técnicas de aprendizaje automático (machine learning) para mejorar la caracterización numérica y experimental de la producción de hollín. Además, se espera que estas herramientas de modelado se apliquen en la optimización de procesos para el hidrógeno verde, alineándose con las estrategias energéticas nacionales de Chile. En el ámbito académico, el artículo servirá como base para la formación de nuevos estudiantes de postgrado en áreas de combustión, energía y nanotecnología. El desafío futuro reside en resolver las incertidumbres que aún rodean el proceso de nucleación del hollín y la transición de fase gaseosa a partícula sólida, áreas donde la colaboración internacional seguirá siendo indispensable para el avance científico.

La publicación de este estudio en Progress in Energy and Combustion Science no es solo un logro académico para la USM, sino un avance fundamental para la ciencia climática y energética global. Al proporcionar un marco robusto para el Modelado multiescala del hollín, los investigadores entregan las llaves para reducir el impacto ambiental de los sistemas de combustión que seguirán dominando la matriz energética mundial en el futuro previsible. La transición hacia una economía más verde y descarbonizada requiere, paradójicamente, un conocimiento profundo de los procesos de combustión para hacerlos más limpios y controlados. Este trabajo demuestra que la investigación rigurosa, sostenida en el tiempo y apoyada por redes internacionales, es el camino para enfrentar los complejos desafíos de la contaminación atmosférica actual. La trayectoria de la USM en este campo asegura que Chile continúe aportando soluciones científicas de alto nivel que resuenen en la frontera tecnológica global por los próximos años.

Equipo Investigadores

• Fengshan Liu

  • National Research Council Canada

• Jérôme Yon

  • INSA Rouen Normandie, Univ Rouen Normandie, CNRS, Normandie Univ

• José Morán

  • Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota
  • Department of Mechanical Engineering, University of Ottawa

• Georgios A. Kelesidis

  • Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology

• Felipe Escudero

  • Departamento de Industrias, Universidad Técnica Federico Santa María

• Andrés Fuentes

  • Departamento de Industrias, Universidad Técnica Federico Santa María

Notas a pie de página

• [1] Los electrocombustibles, también conocidos como e-fuels, son una clase de combustibles sintéticos que funcionan como combustibles de reemplazo directo para motores de combustión interna. Se fabrican utilizando dióxido de carbono o monóxido de carbono capturado, junto con hidrógeno obtenido de la disociación del agua. La electrólisis es posible tanto con fuentes de energía tradicionales de combustibles fósiles como con fuentes de electricidad bajas en carbono, como la energía eólica, solar y nuclear. WikipediA ↩ Volver ↑↑