El peróxido de hidrógeno

El submarino de peróxido de hidrógeno.
Por Wilhelm Heidkamp.
Esta sustancia fue descubierta por el francés Jaques Thenard en 1818. Es comúnmente
conocida como agua oxigenada, y su fórmula es H2O2. Su riqueza (o pureza) era fundamental
para cualquier aplicación de la misma, siendo inicialmente de sólo un 3% y llegando al 80%
en los años treinta del siglo XX. De acuerdo a estos grados de pureza y al empleo de unos u
otros catalizadores, recibió diversos nombres industriales o comerciales. Inicialmente sólo
tenía aplicación en el blanqueo de papel, en la industria textil, o como desinfectante sanitario.
El peróxido de hidrógeno, en altas concentraciones, es una sustancia muy corrosiva, muy rica
en oxígeno, y que en contacto con combustibles orgánicos puede iniciar una reacción química
generadora de calor. Esta posibilidad de generar calor, descomponiéndose las moléculas en
agua (H2O) y oxígeno puro (O2) en presencia de un catalizador, es lo que otorga al peróxido
su condición de propulsor potencial. El peróxido, tras el empleo de un catalizador y en
contacto con un combustible orgánico reacciona violentamente generando vapor de agua a
elevadísima temperatura y oxígeno puro a elevada presión. Este vapor a elevada presión
puede ser canalizado de forma que mueva una turbina, o bien ser dirigido como chorro que
permita el empuje necesario para el desplazamiento por ejemplo de un cohete.
Uno de sus principales inconvenientes (aparte de ser muy corrosivo) es precisamente su
riqueza en oxígeno puro, lo que convierte su manipulación en algo muy peligroso por su
inflamabilidad a concentraciones cercanas al 99% en caso de fuga.
Esta sustancia no fue estudiada como propulsor hasta 1935, en que un ingeniero alemán,
Hellmuth Walter, empezó a desarrollar sistemas que permitieran su empleo como tal.
Hellmuth Walter, (1900-1980) cursó sus estudios de ingeniería en
el Instituto Técnico de Hamburgo. Dejó su formación para empezar
a trabajar en un importante astillero naval. Y esta fase, en la que
trabajó y estudió los procesos de combustión en los motores
navales, es fundamental para entender su trabajo posterior.
Walter realizó sus investigaciones mientras trabajaba para la
empresa Germaniawerft (Kiel) perteneciente a la casa Krupp, pero
más tarde llegó a crear su propia firma, Walterwerke o HellmuthWalterwerke (HWK) en 1934. Había estado analizando la
dependencia de los motores convencionales del oxígeno, y los
problemas que eso originaba en sistemas de propulsión submarinos
para torpedos o sumergibles. Buscando la posibilidad de crear motores de ciclo cerrado que
no precisaran de aporte de oxígeno externo, llegó a la conclusión de que la mejor posibilidad
radicaba en el peróxido de hidrógeno, dada su riqueza en este elemento. Walter utilizó una
fórmula de peróxido de hidrógeno estabilizado, llamado Perhydrol. Sólo precisaba de un
sistema que dividiera su molécula en oxígeno puro. Su idea original era que ese oxígeno
permitiera el funcionamiento bajo el agua de un motor diesel convencional. Como el oxígeno
le sería aportado por la descomposición de peróxido, el diesel podría quemar gasoil durante
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períodos de tiempo prolongados bajo el agua, y se generaba como único residuo, agua (H2O),
que además era reempleada por el sistema en gran parte.
Más adelante, sus estudios le llevaron a idear un motor absolutamente nuevo, cuyo
combustible principal sería el peróxido de hidrógeno (no el gasóleo). Su idea fue que el vapor
de agua generado a elevadísima presión moviera una turbina que a su vez hiciera girar el eje
de impulsión de una hélice.
El peróxido de hidrógeno pasaba a una cámara donde en contacto con un catalizador (por
ejemplo peróxido de bario), se descomponía en agua y oxígeno. Ambos elementos pasaban a
una segunda cámara (cámara de combustión) donde se inyectaba algo de gasoil para que,
como combustible orgánico se produjera la reacción inicial (aquí el gasoil se consume
precisamente por la presencia de oxígeno tras la división del peróxido, dado que hablamos de
cámaras completamente cerradas al exterior y todos sabemos que sin oxígeno no hay
oxidación/combustión). Como resultado, se generaba vapor de agua (88%) y dióxido de
carbono (12%), a una elevada temperatura y presión. Dirigiendo ese gas a presión hacia una
turbina, se producía su giro y por ende, el accionamiento de un eje y de una hélice a su
extremo.
Parte del vapor se recuperaba en forma de agua al
pasar a una cámara de condensación tras haber
atravesado la turbina, y el dióxido de carbono era
eliminado como residuo (en teoría expulsándolo al
exterior del casco de la nave, al mar).
El agua recuperada era de nuevo inyectada a la
cámara de combustión, para aportar más vapor a la
reacción del peróxido, su catalizador y el gasoil, de
forma que su ciclo era casi infinito, al pasar el agua
a vapor y nuevamente a estado líquido de forma
cíclica y continua.
Turbina Walter.
El primer modelo de propulsor probado, data de 1936, y funcionó bien. El principal
inconveniente de este tipo de propulsión era la elevada cantidad de peróxido de hidrógeno
necesario para que la reacción funcionara de forma constante. Para recorrer una milla, el
motor de peróxido necesitaba veinticinco veces más combustible que un motor diesel
equivalente consumiendo gasoil. Y esto se convirtió en un serio problema en el futuro.
Tras el éxito de su experimento, Walter propuso al Oberkommando der Kriegsmarine (OKM)
la construcción de un submarino experimental que utilizara sus sistema de propulsión. En
teoría, su motor de turbina de peróxido permitiría a cualquier Uboot alcanzar cifras de
velocidad superiores a los veinticinco nudos. En aquella fecha, los sumergibles no podían
aspirar a más de ocho o nueve nudos navegando con baterías bajo el agua. No podían emplear
sus potentes motores diesel una vez sumergidos porque estos demandaban oxígeno que no
podía ser tomado de la atmósfera y porque además producían dióxido de carbono que
envenenaba a la tripulación.
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En 1937, Kart Dönitz apreció las posibilidades del invento de Walter, cuando muchos otros
oficiales del OKM habían hecho caso omiso del ofrecimiento del ingeniero. Dönitz obtuvo la
autorización para que Walter trabajara en el primer prototipo que debería empezar a ser
construido en 1939. Se trataba del V-80.
El
V-80
era
un
minisubmarino de cuatro
tripulantes, construido por
Germaniawerft en Kiel,
siendo botado el diecinueve
de enero de 1940.
Este primer buque estaba
motorizado por un primitivo motor de peróxido que no empleaba combustible orgánico
(gasoil) y que carecía de cámara de combustión. El vapor de agua emanaba directamente de la
descomposición del peróxido de hidrógeno por la acción del catalizador, pasando el gas
directamente a la turbina.
La potencia de salida de la turbina era de
2000 caballos de vapor, y en la hélice, tras las
inercias de los ejes, etc. de 1875 caballos.
El combustible era transportado en grandes
bolsas plásticas en el exterior del casco, y era
la propia presión del mar la que ayudaba su
paso al interior del casco por conductos hasta
la cámara del catalizador.
En las pruebas realizadas, el V-80 alcanzó la
asombrosa velocidad de veintiséis nudos y
medio sumergido, más del triple de lo que los
submarinos convencionales diesel-eléctricos
eran capaces de alcanzar.
El V-80 en pruebas.
El V-80 presentó problemas de manejabilidad no relacionados con su sistema de propulsión.
Básicamente carecía de timones de profundidad a proa, y en superficie era escasamente
gobernable. No obstante era un principio prometedor.
Para el siguiente prototipo, Hellmuth Walter decidió utilizar el motor con cámara de
combustión. El prototipo fue designado V-300, y desplazaba trescientas toneladas (bastante
más grande que el V-80 de noventa o cien toneladas). Estuvo terminado en septiembre de
1941.
Como Walter ya había detectado que el consumo de peróxido era prohibitivo, en el V-300
empleó una propulsión mixta. Además de la turbina con cámara de combustión, montaba dos
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motores diesel para navegar en superficie a ritmo de crucero, y dos eléctricos para navegar a
baja velocidad bajo el agua.
A pesar de la resistencia ofrecida por Walter, el OKM y Germaniawerft se empecinaron en
armar al V-300 con dos tubos lanzatorpedos de siete metros, alargando el casco y dotándolo
de timones proeles. Como consecuencia de todas estas interferencias, el prototipo resultante al
final desplazaba 600 toneladas (el doble de lo previsto inicialmente), y por tanto las esperadas
prestaciones se esfumaron. Aún así, el V-300 alcanzó los 19 nudos en inmersión (el doble que
un Tipo VII).
El siguiente paso en el desarrollo del sumergible Walter, fueron los WA201 y WK201. Se
acordó que Germaniawerft y Blohm und Voss fabricaran cada una un prototipo de submarino
Tipo XVII desarmado propulsado cada uno por dos turbinas de peróxido de hidrógeno. El
modelo de Germaniawerft era el WK201 (donde la “W” aludía a “Walter” y la “K” a
“Krupp”). El modelo de B&V fue designado WA201 (“WA” por “Walter”). Los estudios
preliminares de diseño tuvieron lugar en marzo de 1942.
El WA201 (Tipo XVII de la primera serie)
En diciembre de 1942 el modelo de B&V ya estaba siendo construido, y a principios de 1943
comenzó la construcción del modelo de Germaniawerft.
El WK201 fue botado el siete de octubre de 1943 como U-794, y el WA201 el veintiocho de
septiembre del mismo año, como U-792.
Tipo XVIIB
Fueron sometidos a intensas pruebas, mostrándose superior el modelo de Blohm und Voss (U792). No obstante, cada astillero recibió órdenes para fabricar una segunda unidad de sus
diseños, llegándose así a los WA202 (U-793) y WK202 (U-795) que son conocidos como
Tipo XVIIB, los cuales entraron en servicio en abril de 1944. La principal diferencia con los
anteriores es que en vez de contar con dos turbinas y dos hélices, contaban sólo con una. No
obstante, ambos modelos superaron los veinticuatro nudos en inmersión.
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El U-793 en 1944.
Tras los Tipo XVIIB, vinieron sucesivos estudios sobre plano de diversas variantes, las “B2,
B3, G, E y K”. De las anteriores, la E y la K ni siquiera iban a montar propulsión de peróxido,
sino una mezcla de motores diesel y eléctricos. El “E” (“Elektro” dedicaba gran parte del
espacio interior a transportar más baterías, con un importante incremento tanto de la velocidad
sumergido como de la autonomía en inmersión (algo que después se volvería a hacer en los
Tipo XXI). En los “K” se estudió la posibilidad del ciclo cerrado con aporte de oxígeno a la
combustión del gasóleo con un sistema diferente al de la descomposición del peróxido. El
oxígeno necesario para que los motores diesel funcionaran bajo el agua se obtenía de unos
grandes cilindros contenedores de oxígeno. Se encargaron tres buques de la serie “K”
(“Kreislauf” o ciclo cerrado), pero sólo se llegó a botar uno, el U-798, en febrero de 1945, no
siendo jamás completado. Ninguno de los anteriores mostró ser la solución definitiva.
Con el devenir de la guerra a la Kriegsmarine se le acababa el tiempo y todos los prototipos
anteriores basados en el Tipo XVII fueron dados de baja a finales de 1944 y hundidos a
principios de 1945.
Mientras todavía seguían estudiándose los dos primeros de los cuatro submarinos anteriores
(aparentemente en algún momento entre enero y agosto de 1943), Dönitz decidió acelerar la
entrada en servicio de sumergibles de peróxido armados y ordenó la construcción de doce
Tipo XVII por B&V y otros tantos por Germaniawerft. Estaban pobremente dotados, con sólo
dos tubos lanzatorpedos y cuatro torpedos de respeto. Sus numerales iban del U-1405 al U1416 para B&V, y del U-1081 al U-1092 para Germaniawerft. Todos estaba previsto que
montaran schnorkel.
A esas alturas los germanos estaban perdiendo la guerra en todos los frentes, y de los
veinticuatro barcos encargados a las dos firmas, sólo se siguió adelante con seis de B&V,
cancelándose todos los demás. La fecha de tal cancelación parece ser septiembre u octubre de
1943. La razón, como veremos más adelante, radica en el desarrollo del mejor submarino de
la Segunda Guerra Mundial, el Tipo XXI, y la concentración de todos los esfuerzos en su
desarrollo y construcción.
A los Tipo XVII que no satisficieron al OKM y que no aportaron nada al esfuerzo de guerra
del Eje, le siguieron los Tipo XVIII, en los cuales empezó a trabajar Walter en fecha tan
temprana como enero de 1942, (es decir, que mientras aún no estaba terminado ninguno de
los Tipo XVII, Walter estaba trabajando paralelamente en el XVIII).
El origen del Tipo XVIII parece estar en que Dönitz no quería esperar los resultados de las
pruebas de los proyectos del Tipo XVII de Germaniawerft y B&V. Como ya he descrito, los
dos primeros XVII estaban desarmados, y los dos del segundo lote, armados sólo con dos
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tubos (frente a los seis de un Tipo IX convencional o los cinco de los Tipo VII). Por eso
acordó con Walter que era urgente construir verdaderos submarinos de guerra. Inicialmente se
acordó para este tipo de naves la designación V-301, pero al poco tiempo pasó a conocerse el
proyecto como Tipo XVIII. El desarrollo de este sumergible no pertenece ni a Germaniawerft
ni a Blohm und Voss. Fue la empresa del propio Walter, Walterwerke (o HTK) la encargada.
Ahora Walter podía trabajar a sus anchas.
Desarrolló un sumergible de 1180 toneladas, propulsado por dos turbinas de 7.500 caballos,
capaz de veintisiete nudos sumergido, y de una autonomía de 243 millas a veinticinco nudos.
El casco era soberbio, el espacio interior generoso, y solucionaba muchos de los problemas de
diseño originales de otros prototipos. Estaba armado con seis tubos lanzatorpedos y podía
transportar veinte torpedos. El Tipo XVIII era teóricamente un arma formidable, muy superior
a todo lo existente en el mundo en aquella época, y posiblemente a cualquier submarino
anterior a 1950. Se ordenaron dos naves, el U-796 y el U-797. Con los cambios que hubo que
ir haciendo al modelo, al final el desplazamiento ascendió a las 1652 toneladas, alcanzando
todavía velocidades de 24 nudos en inmersión.
Sin embargo, la perentoria necesidad de un nuevo submarino para reemplazar los viejos Tipo
VII y IX, obligó a Kart Dönitz a traicionar a Walter y a considerar que podría hacerse mucho
más por la causa alemana utilizando el fabuloso casco diseñado por Hellmuth Walter con su
espacioso interior, en forma de submarino diesel-eléctrico convencional.
Ciertamente, Walter había diseñado el Tipo XVIII con gran espacio para acumular el
peróxido de hidrógeno (dado su elevado consumo) y este mismo espacio permitía la
instalación de dos grandes motores diesel y hasta el triple de baterías que en los Tipo VII y IX.
Se descubrió que gran parte de las prestaciones del barco de Walter no radicaban en la
propulsión, sino en el excelente diseño del casco, redondeado y muy hidrodinámico, pensado
para navegar bajo las olas y no sobre ellas (también obra de Walter y su equipo de trabajo).
Así surgió el Tipo XXI. Debía haber sido el gran éxito de Walter y su motor de peróxido de
hidrógeno, y paradójicamente lo fue, pero en la forma del submarino diesel-eléctrico más
avanzado del mundo.
Tipo XXI, el heredero directo del Tipo XVIII de Walter
De acuerdo a los informes oficiales, la decisión de abandonar el Tipo XVIII en favor del XXI,
data del veinte de agosto de 1943, firmada por Dönitz, aunque la autorización para empezar
los cambios de diseño necesarios está fechada el diecinueve de junio (también rubricada por
Karl Dönitz).El ingeniero que adaptó el Tipo XVIII de Walter a la propulsión diesel-eléctrica
en lo que hoy día conocemos como el Tipo XXI, fue el Doctor Heep, a petición del Director
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de Proyectos Navales Oelfken, con la aprobación, como ya se ha referido, del mismísimo
Dönitz.
Apartado el pobre Walter del diseño de submarinos oceánicos, se centró en el desarrollo de
sumergibles costeros más pequeños como los Tipo XXII, propulsados por una sola turbina.
De una producción prevista de setenta y dos ejemplares, sólo se botarían dos, el U-1153 y el
U-1154, pero antes de ser completados fueron cancelados. No obstante, fueron la base para el
Tipo XXIII, submarino costero de extraordinaria capacidad aunque de propulsión
convencional.
Hubo otros proyectos menores que no pasaron por los astilleros, como los Tipo XXIV, que
eran una evolución de los Tipo XVIII pero dotados de hasta ocho tubos lanzatorpedos, o los
Tipo XXVIW (la “W” por “Walter”), que pretendían ser un Tipo XXI de tamaño menor para
reducir su perfil sonar y su detectabilidad (a cambio de una menor autonomía y menor carga
de torpedos). En teoría, era un gran proyecto que incluso pudo haber sido el siguiente paso en
la guerra submarina: Menores costes de fabricación y mayor velocidad de construcción que
los XXI, contaba con 10 tubos lanzatorpedos (cuatro a proa y seis laterales en una curiosa y
nunca antes vista disposición de tres y tres por banda, disparando hacia popa en ángulo de
unos diez grados respecto al eje central, conocida como “Schnee-organ” y que más tarde sería
una característica del modelo XXIC). Desplazaba unas quinientas toneladas con una sola
turbina Walter. Llegó a ser autorizada la construcción de cien de ellos, aunque en esas fechas
este plan era ciencia ficción. Sólo cuatro unidades estaban en construcción cuando terminó la
guerra, los U-4501, U-4502, U-4503 y U-4504. En teoría eran capaces de veinticinco nudos
en inmersión y hasta dieciocho en superficie.
Perfil del Tipo XXVIW
Todos los proyectos de Walter fueron muy caros y costosos de construir. Y la ofensiva de
bombardeo Aliada perjudicó notablemente su desarrollo. Del mismo modo, la constante
presión derivada de la derrota de Alemania hizo difícil o imposible continuar con muchos de
los proyectos.
El peróxido de hidrógeno se utilizó también como combustible para cohetes (V2), torpedos y
reactores (por ejemplo, el Messerschmitt ME163), participando Hellmuth Walter activamente
en algunos de estos proyectos.
En función del catalizador, este combustible tuvo diversos nombres en la industria alemana:
T-Stoff, Oxylene, Ausol o Ingolin. Junto con los anteriores, las denominaciones que
recibieron los catalizadores fueron: T-Stoff (permanganato líquido), C-Stoff (hiperbólico
líquido de hidrato de hidracina y metil-alcohol) y algunos otros.
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La obtención de este H2O2 en Alemania en la Segunda Guerra Mundial radicaba en la planta
procesadora de Bad Lauterburg, aunque al preverse un fuerte incremento en la demanda de
estos combustibles por la proliferación de nuevas armas revolucionarias como los cohetes, los
reactores, los nuevos submarinos y los torpedos de peróxido, se estaban construyendo tres
plantas cuando terminó la guerra.
En 1945, los británicos y los estadounidenses quedaron conmocionados con lo que
descubrieron en Alemania. El desarrollo del sumergible alemán había alcanzado cotas a
mucha distancia de su propia investigación. Los británicos reflotaron el U-793, un Tipo XVII,
con el que estuvieron haciendo pruebas hasta 1947. Igualmente reflotaron el viejo U-1407,
uno de los Tipo XVIIB de Walter, y se lo llevaron a Gran Bretaña donde lo bautizaron como
HMS Meteorite, utilizándolo como laboratorio flotante hasta 1950. De hecho, los británicos
construyeron otros dos nuevos submarinos basados en los desarrollos de Walter.
Los estadounidenses se llevaron a su país al U-1406, otro de los Tipo XVIIB, que tuvieron
que reflotar y reparar. En Estados Unidos fue utilizado para análisis y tests.
La llegada de la propulsión nuclear en la década de los cincuenta acabó con futuros
desarrollos del propulsor de peróxido, dado que tenía muchas más ventajas y posibilidades a
largo plazo. De hecho, a día de hoy, es probable que sea difícil o imposible encontrar
fabricantes que suministren continuadamente peróxido de hidrógeno al 90% de concentración.
Curiosamente, con la crisis del petróleo, las viejas teorías de Hellmuth Walter vuelven a la
palestra y ya hay varios desarrollos en marcha que pretenden consolidar este combustible
como fuente alternativa.
Bibliografía y fuentes:
-
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1992.
U-Boats, History, Development & Equipment, 1914-1945. David Miller. Conway
Maritime Press. 2000.
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Kriegsmarine U-boats 1939-45 (Vol. 1). Gordon Williamson. Osprey. 2002.
Kriegsmarine U-boats 1939-45 (Vol. 2). Gordon Williamson. Osprey. 2002.
Past and Present Uses of Rocket Grade. Hydrogen Peroxide. E. Wernimont, M.
Ventura, G. Garboden and P. Mullens General Kinetics, LLC Aliso Viejo, CA 92656.
http://www.tecaeromex.com/esp/peroxido-h.htm
21 de septiembre de 2006.
Wilhelm Heidkamp.