ÉRASE UNA VEZ (CASO PRÁCTICO DE DISEÑO Y CÁLCULO DE UN EMBRAGUE MULTILÁMINAS) Parte II

Y llega la II y definitiva entrega del ejemplo concreto que supuso el diseño del embrague del cambio Dual Speed del tractor Kubota K1, a la postre fue el último diseño de un tractor en España.

Como ya se comentó en la I entrega, esta también es propiedad de mi amigo Julio de la Vega Magán (ingeniero proyectista diseñador de transmisión del Kubota K1)

En la I entrega se hizo una descripción de los embragues del K1 así como el funcionamiento del embrague húmedo del Dual Speed. En esta II parte se efectuará el diseño y cálculo del embrague. 

DISEÑO

El diseño de un embrague se hace de forma condicionada ya que depende del servicio al que se dedica. Un buen diseño debe garantizar un funcionamiento progresivo y sin tirones a la par que consigue transmitir todo el par recibido, tener una larga vida útil y no necesitar apenas mantenimiento.

El predimensionamiento de un embrague se hace considerando criterios como transmisión del par, energía capaz de disipar, ergonomía en el pedal (fuerza necesaria) y duración mínima para un uso dado.

Lo primero, los datos

Un diseño correcto exige disponer de todos los datos necesarios del tractor y que son referentes tanto al motor, como a la transmisión y como las propias del vehículo (Tabla 1).

Tabla 1: especificación del K1 170 DT

Del motor se necesitan conocer datos como la potencia máxima, el par máximo y las revoluciones a las que se producen. De la transmisión es necesario conocer las relaciones de las diferentes cajas (velocidades, grupos, reductoras…) así como las del grupo cónico y las reducciones finales. En cuanto al vehículo interesa sobre manera conocer los juegos de neumáticos y, fundamental, el peso máximo autorizado.

Iniciando
En el predimensionamiento de un embrague se puede partir de “0” total o parcialmente, utilizando componentes comerciales que ya desarrolladas por empresas especialistas.

Lo más habitual es iniciar los cálculos simplificados desde las dimensiones de los forros del disco ya que un embrague de fricción se calcula por el par máximo a transmitir. Huelga aclarar que el par que deberá desarrollar el embrague será mayor que el que se desea transmitir; si no se hiciese así el embrague patinaría (no se llegan a igualar las velocidades del eje conductor y conducido) y no transmitirá el par exigido.

En este sentido los condicionantes más importantes, son los estriados a utilizar, que tienen la responsabilidad de transmitir los pares entre las diferentes partes de la transmisión. Estos estriados son los interfaces entre los discos, platos, campana, y ejes de transmisión, por tanto afecta sobre todo a la fabricación por brochado que lleva asociado un alto coste por el valor de las brochas.

Embrague multidisco DT y BiSpeed

Los discos, son los elementos encargados de transitar el par. En la mayoría de las ocasiones los discos se eligen comerciales y así evitar fuertes inversiones. Lo habitual es que los discos sean de acero o bien parejas alternando acero y bronce pero en cualquier caso el material seleccionado estará acorde a las presiones superficiales que soportarán.

En el caso del embrague del Dual-Speed son discos de acero con estriado interior (brochado) Por ambos lados del disco de acero se le adhiere una capa de material N266 con alto poder de desgaste. El coeficiente de fricción estático µ de este material es 0,12-0,14 con resistencia a compresión de 25 kgf/cm² (datos SK Wellman)

Llegar a los detalles de diseño haría el artículo excesivamente extenso; pero, a modo de resumen, destacamos la importancia del juego disco-plato.

El juego disco-plato en el caso del K1 se definió de forma experimental. Para ello se hicieron pruebas de pista y campo, con tractor completo, de más de 3000 h.

El juego disco-plato es un parámetro crucial desde el punto de vista de la disipación del calor generado cuando existe fricción entre discos, e incluso con el propio aceite (téngase en cuenta las grandes velocidades relativas entre discos) Si este diseño no se cuida especialmente se originan deformaciones (alabeos) en los discos. Nuestras pruebas experimentales fueron variando el juego necesario hasta conseguir dar el visto bueno al conjunto del embrague DualSpeed.

También es crítico el diseño de los muelles de retroceso del embolo para que se mantengan los juegos establecidos y así evitar que las altas velocidades relativas de rotación llegue a quemar los discos. En algunos casos el embrague del K1 incorpora dos muelles, uno dentro de otro, para garantizar la rápida respuesta.

Par de entrada a transmitir: Generalmente se calcula al límite de tracción del tractor, teniendo en cuenta las diferentes etapas hasta la entrada del embrague (relación de diferencial, velocidades, gamas, epicicloidales etc.). Con este criterio se establece el par y régimen de vueltas a la entrada del embrague.

Superficie de contacto platos-discos: Se selecciona un disco de un fabricante del mercado, que condiciona la geometría del embrague.

Superficie de presión hidráulica (pistón): Se definirá acorde con las dimensiones del disco en la parte de fricción.

Presión de servicio sistema hidráulico: Estará en función a los requerimientos del disco, manteniendo la regulación por debajo de la máxima soportada por el disco.

Rango de presión admisible para los discos: Estará en función a los requerimientos del disco y del par de entrada, estableciendo unos márgenes de seguridad.

Rango de vueltas entrada-salida: En función del sistema cinemático de la transmisión donde esté ubicado el embrague.

CÁLCULOS TRANSMISIÓN DE PAR Y NÚMERO DE DISCOS

La Tabla 2, recoge los datos de partida (variables de entrada), en base a los cuales se calculan; el par transmitido por el embrague, y el nº de discos en función a los factores de seguridad establecidos.

Como ya hemos indicado, es crucial en el diseño de un embrague multiláminas, establecer el juego entre plato y disco (ítem 10-11) así como las cadenas de tolerancias que eviten calentamientos en el embrague que gira libre, debido a las velocidades relativas entre disco y plato puede laminar el aceite perdiendo su capacidad de transmisión de par por deformación de los discos.

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ÉRASE UNA VEZ (CASO PRÁCTICO DE DISEÑO Y CÁLCULO DE UN EMBRAGUE MULTILÁMINAS) Parte I

K1 150 (Foto Pedro Pablo)

Esta entrada me produce mucha alegría. Se trata de recordar hechos, anécdotas del que a la postre fue el último diseño de un tractor en España, si, aquel Kubota K1.

Estando con unos antiguos y amigos de la antigua Ebro-Kubota se me ocurrió preguntar que información conservábamos de aquella experiencia. La realidad es que era más bien poco, salvo Julio que nos sube a la buhardilla de su casa y ¡allí había de todo! Se nos ocurrió desempolvar alguna cosa y en concreto se eligió esto: el cálculo del embrague del Dual-Speed del K1

La realidad es que esta entrada es de mi amigo Julio de la Vega Magán (ingeniero proyectista diseñador de transmisión del Kubota K1)

Debido a la longitud del artículo, hemos preferido dividirlo en 2 partes. En la presente, se hace una descripción de los embragues del K1 y la descripción del embrague húmedo del Dual Speed. En la II parte se efectuará el diseño y cálculo del embrague.

LOS EMBRAGUES DEL K1

Intentaremos describir lo que fue un largo proceso de diseño. Muchas horas de ingeniería para concebir lo que a la postre ha sido el último tractor fabricado en España, el Kubota K1.

Intentaremos describir el concepto, aplicable al diseño, de embragues multidisco, de accionamiento hidráulico, describiendo los elementos que integran el embrague del Dual-Speed del tractor K1 y esquematizando los cálculos para intentar conseguir un artículo divulgativo. 

Embragues de fricción del K1: El K1 está equipado con embragues de fricción que son los más versátiles. Analizando el esquema de transmisión del K1 se observa un embrague principal (monodisco seco), y de unos embragues multidiscos, en el interior de la transmisión, por tanto “húmedos”, para dar servicio al Dual-Speed, DT/Bi-speed, y toma de fuerza. Todos los embragues son totalmente independientes.

Esquema transmisión Kubota K1

• DualSpeed: situado a la entrada de la caja de cambios. Su función es transmitir par directo del motor a una rama Alta (Hi) o Baja (Low). La diferencia de par entre ambas ramas es del 25%
• Toma de fuerza: Embrague On-Off. Se sitúa a la salida de la caja de gamas, dentro del cárter trasero. Transmite el par a los engranajes traseros de toma de fuerza directa (540 y 1000 rpm) así como, la ahora no habitual, proporcional al avance
• DT-BiSpeed: Situado en la parte inferior del cárter trasero. Cumple la función de conectar la tracción al eje delantero y, gran novedad de este tractor en su gama de potencia, accionar el mecanismo Bi-Speed por el cual se aumenta la velocidad de giro del eje delantero con el fin de reducir el radio de giro

EMBRAGUES MULTIDISCO

La aparición del sistema multidisco viene a ser una solución para los requerimientos de algunas transmisiones. Hoy por hoy son los más utilizados para transmitir par ya sea en transmisión por engranajes en cajas de cambio o reductoras o diferenciales, etc.

La gran ventaja de estos embragues consiste en poder colocar numerosos pares de discos, por lo que se consigue un diseño más compacto que el embrague seco convencional; es una forma de aumentar el área efectiva sin aumentar el radio de los discos. El par de rozamiento de un multidisco es la suma de todos los pares de discos.

Funcionamiento: Aunque existen varias configuraciones a la vez que tipos de accionamiento, el funcionamiento es muy similar en todos los casos.

Sobre un cuerpo principal se incorporan parejas de discos de embrague con materiales capaces de soportes presiones axiales y platos que se intercalan entre los discos. Los paquetes forman un conjunto (disco + plato) x n, que permite transmitir el par requerido. Este par se puede transmitir, por medio de estriados en disco, en parte interior que amarra al eje, y en parte exterior que va unido al cuerpo o campana de embrague. 

K1 170; 13000 h (Foto Carlos BdC en Madrigal)

De discos: el material de fricción debe ser capaz de resistir altas temperaturas manteniendo sus propiedades; ser capaz de disipar calor con suficiente facilidad y tener alta resistencia al desgaste.

El material de los discos es muy variado. Puede ser orgánicos (se compone de un tejido de fibras de cobre o latón y poliamida) o carbocerámicos (simbiosis de carbono y cerámica y son los más utilizados en multidisco) o la “fibra de moda” como es el Kevlar o de material sinterizado (fabricado por compresión con polvo de metales)

Accionamiento: El montaje habitual contempla que los discos metálicos “hembras” se coloquen en el mandril en el eje primario; intercalados van los discos “machos” unidos al volante. Se debe generar una fuerza para comprimir el conjunto. En el tractor K1 todos sus embragues se accionan hidráulicamente. Mientras el embrague de marcha se acciona, a través del pedal, por un bombín, los embragues multidiscos se accionan por distribuidores de un circuito hidráulico auxiliar alimentado por bomba. Al dejar de mandar aceite unos muelles liberan el mecanismo.

Embrague asistido hidráulicamente: El movimiento se transmite mediante ayuda de la fuerza hidráulica. Un cilindro emisor (bomba) genera presión sobre un cilindro maestro (bombín) Ambos cilindros se unen a través de tuberías que contienen el fluido. El principio físico de sobra conocido, se basa en la diferencia de diámetros entre los dos cilindros que sirve para multiplicar la fuerza ejercida.

¿Seco o húmedo?: Los paquetes de discos pueden ir en “seco” o “húmedo” aunque en el caso del tractor K1 todos los paquetes eran “húmedos”

La ventaja del multidiscos en baño de aceite es que disipa mucho mejor el calor. Ventaja que se convierte en desventaja al considerar que el aceite reduce el coeficiente de fricción μ entre los discos (dato fundamental en el cálculo del par de embrague). Una solución al hándicap será aumentar la presión entre los discos.

Comparando: un embrague con grafito de carbono sobre acero tiene un coeficiente de fricción μ = 0,05, pero puede trabajar a más de 500 ºC y con presión máxima hasta 2100 kPa (21 kg/cm2) Mientras que en un material de fricción convencional sobre acero μ = 0,2 pero su temperatura máxima no sobrepasa 300 ºC y la presión no superar los 700 kPa (7 kg/cm2)

Embrague del DualSpeed Tractor K1

EMBRAGUE MULTIDISCO DUAL SPEED DEL K1

Las transmisiones de los tractores se han ido complicando sumamente en los últimos 30 años y el sistema de embrague ha tenido que ir cubriendo las nuevas expectativas. El diseño del K1 fue el de un tractor con transmisión mecánica sincronizada (caja de velocidades y gamas) y con un sistema de cambio bajo carga que se denominó Dual-Speed. La caja de velocidades de 6 marchas y la caja de gamas (3+R) también sincronizadas y una gama creeper (super lentas) proporcionando (caso de creeper) un máximo de 60+24 velocidades.

Dual-Speed, el primer “powershift”: Las tan de moda actual cajas “powershift o cambio bajo carga” tienen su origen en los cambios Dual-Speed o Hi-Lo que son cambios, sin pisar el embrague, y únicamente de 2 velocidades. La diferencia con un cambio “solo sincronizado” es muy grande ya que aquí no se busca igualar las velocidades de los engranajes que se acoplan, ni se pisa el embrague, pero tampoco es un cambio bajo carga propiamente dicho aunque pueda parecerlo ya que durante, un breve tiempo, se interrumpe la transmisión de potencia.

Esquema Dual Speed

La elección de un paquete multidiscos para el cambio DualSpeed del K1 estaba condicionado por la compacidad del diseño y por la progresividad de este tipo de embrague mientras se igualan las velocidades de giro que hace que los acoples sean suaves y sin tirones. El motor se puede mantener en el régimen de giro lo más próximo posible al deseable variando el par y la velocidad de avance. El DualSpeed representa un importante ahorro de tiempo de operación.

Funcionamiento: El DualSpeed (ver figura) se sitúa entre el eje de transmisión (1) y el primario (7) de la caja de cambios. El sistema consta de un eje reductor (10) con una pareja de engranajes unidos en toma constante al eje de transmisión (1) y al eje primario (7) respectivamente y de un embrague doble multidisco en baño de aceite accionado hidráulicamente.

En velocidad larga (Hi) el embrague, correspondiente se acciona mediante presión hidráulica, mientras que el embrague del lado de baja se desconecta por lo que la transmisión de giro se realiza directamente del eje de transmisión (1) (que está unido al disco de embrague) al eje primario.

En velocidad corta (Lo) se desconecta el embrague del lado de larga y se conecta el de baja por lo que el movimiento se transmite a través del eje reductor, es decir una velocidad menor en el primario debido a las dos desmultiplicaciones de los engranajes en toma constante.

Circuito hidráulico y Distribuidor: Con el motor en marcha el aceite es bombeado por la bomba (3) y llega al conjunto de válvulas (5)

Circuito hidráulico Dual Speed

El distribuidor (6) del DualSpeed canaliza el fluido al embrague de larga (7) o de corta (9) según el interruptor del DualSpeed. El aceite del embrague se descarga a través de la corredera del distribuidor. Se asegura el engrase de los discos y cojinetes de ambos embragues, así como la presión de trabajo del embrague mantenida por la válvula limitadora entre 21 y 24 kg/cm².

El distribuidor es de dos posiciones y cuatro vías, con desplazamiento por solenoide a una posición y por resorte a la de reposo.

En la posición Lo, una corriente llega al solenoide (1) del distribuidor, desplaza electromagnéticamente la corredera hacia la derecha para que el aceite enviado por la bomba auxiliar pase de la galera "P" a la galera "B", y empuje el embrague de corta (Lo) apretando los discos conductores y conducidos quedando solidarios la carcasa del embrague como elemento conductor con el engranaje conducido.

En posición larga (Hi) un resorte mantiene desplazada la corredera hacia la izquierda, por lo que el aceite pasa de la entrada "P" a "A" hasta el embrague de larga, a la vez que el aceite del embrague de corta (Lo) retorna por "B" y se desaloja por "T" a la carcasa de la transmisión.

Distribuidor DualSpeed posición Hi y Lo

Cuando se conecta la posición Lo la corriente excita el solenoide (9), desplaza la corredera (6) a comprimir el resorte (8), abre el paso de "P" a "B" y cierra el paso de "P" a "A" invirtiéndose los sentidos de circulación del aceite.

La próxima semana se podrá completar el cálculo y el funcionamiento del embrague multiláminas del DualSpeed

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STEYR KONCEPT, SÓLO ES UN PROTOTIPO, PERO ¿SE PUEDE SACAR UNA IDEA DE TENDENCIA PARA EL FUTURO?

AL QUE MÁS FOTOS SE LE HIZO

No estuve en la pasada feria Agritechnica; a pesar de ello, por todo lo que he visto publicado, me atrevería a afirmar que el concepto de tractor del futuro de Steyr se convirtió en stand triunfador. He visto por las redes sociales, cientos de fotos de su futurista figura, pero ¿qué es lo que hay detrás del “orgasmo de ideas” de los ingenieros de CNH?

Pero ¿por qué Steyr?: Quizá sea esta la primera pregunta que habría que hacerse. El tractor fue diseñado por el Centro de Diseño de CNH Industrial y podía haber salido rojo Case o azul New Holland pero salió blanco-rojo Steyr, ¿por qué una marca que "hasta ayer" y desde que Steyr está en la esfera CNH, estaba “aparcada” y solamente dirigida al mercado austríaco, ahora se revela cómo predominante? ¿irá CNH a convertir a Steyr en su marca Premium?

¿Qué es un tractor conceptual?: Los anglosajones hablan de concept tractor. Para nosotros sería un prototipo, pero normalmente no son prototipos funcionales, son más bien maquetas a escala real. Se usan para presentar una idea a la propia empresa y también al público; es una forma de marcar tendencia para el futuro.

EL CONCEPTO DE CNH-STEYR

El tractor amarillo que es lo que se lleva ahora: El concepto del fabricante austriaco en la esfera de CNH tiende a convertirse en adalid de donde resulta sencillo estar, de lo que se lleva ahora, lo más “chic”: la sostenibilidad, digitalización… Pero ¿de verdad la tendencia irá por ese camino? (en las próximas líneas daré mi opinión)

El futuro es híbrido

Es la gran novedad del prototipo Steyr. Puede moverse como vehículo totalmente eléctrico o con el motor de combustión. El motor funciona a un régimen que permite estar cargando la batería de forma óptima.

La batería está pensada para suministrar energía a componentes del tractor y a implementos eléctricos progresando en la tendencia a la electrificación de los implementos (El concepto Steyr propone dos voltajes para los implementos, 700 o 48 V)

STEYR Y YO, ¿EN QUÉ COINCIDIMOS?

Era el final de 2016 cuando la revista Agricultura me pidió una “predicción” del tractor para el 2050. Al final aquella visión de “bola de cristal” se plasmó en la revista nombrada pero también en otros foros como este mismo blog (FEVERLANDS, EL NUEVO TRACTOR QUE HACE FUROR EN FIMA 2050 Parte I y Parte II) y en otro blog, La Huerta Digital. Parece lógico comparar las predicciones de CNH y las mías. ¿Vamos?

Coincidimos

Estructura-Arquitectura: Se mantendrá la arquitectura típica con ruedas desiguales. En vez de la estructura "monolítica" (cosido de carcasas) se coloca un bastidor que absorba esfuerzos de flexión y torsión.

Hibridación: Se trata de un tractor híbrido gasóleo-eléctrico. Con sistemas de recuperación y almacenamiento de energía en el frenado. El tractor híbrido será un tractor “enchufable”, es decir que se puede cargar en toma externa estándar además de con el propio motor de combustión.
Se llevan 4 motores eléctricos, uno en cada rueda, que reciben la potencia desde las baterías alimentadas por el motor de combustión.

Motor: Auguré una reducción “de cilindros” y de cilindrada y efectivamente Steyr lanza su prototipo con un motor, que, en su caso, como es lógico es NEF 45 de FPT, diésel “convencional” de hasta 150 kW. CNH ha propuesto para su prototipo un 4 cilindros que no sería lo lógico según cánones actuales para un tractor de ese tamaño, pero es la línea de tendencia. La cilindrada es de 4,5 litros manteniendo la “moda” de la reducción de tamaño.

Se mantienen las tecnologías common rail, y se optimiza disminuyendo los inconvenientes del turbo lag mediante biturbos o turbos de geometría variable. Regulación electrónica con mapas de motor elegidos de forma autónoma.
Realidad aumentada: Coincidencia total. Se trata de proyectar información al parabrisas mediante técnicas de “enfoque infinito”

Interfaz ISOBUS: Se generaliza el protocolo de comunicación entre múltiples CPUs. Se integran datos GPS para obtener toda la información de forma geo referenciada.

Luces: Con conceptos como el Bixenon y los LED´s con calidad “luz día”

Coincidimos parcialmente

Baterías: Desconozco que tipo de batería ha colocado Steyr. En mi caso descarté las baterías de ácido plomo, pero no tengo seguridad para apostar por níquel-hidruro metálico (Ni-MH) o por ion litio.

Neumáticos: El prototipo de Steyr ha aparecido calzado con unos Michelin ExoBIB, unos neumáticos que tienen mucho recorrido, un buen producto. Por supuesto yo no di marcas en mi “cápsula de tiempo” pero sí que he apostado claramente por la baja presión (de 0,8 a 1 kg/cm2) Sin embargo yo sigo apostando por la banda de goma que no parece que Steyr la haya considerado.

Cabina, puesto de conducción: En muchos aspectos sí hemos coincidido, por ejemplo, el protagonismo que asume la cabina, aumentando comodidad y ergonomía, presurización e insonorización. Cabinas con amortiguación convencional o hidroneumática.

Pero mientras que yo aposté por desarrollar capacidad de cabina giratoria y “vidrios” en policarbonato antienvejecimiento y absorción de rayos UV, Steyr no habla de giro en cabina.

Tampoco apuesto por esos volantes “futuristas” que exhibe el Steyr y aún menos por esos colores tan poco prácticos. Además, exhiben demasiadas pantallas y lucecitas.

No coincidimos

Transmisión: Muy alejado el concepto Steyr de mi transmisión "convencional", bajo carga y parcialmente robotizada.

El prototipo Steyr dispone de un sistema de propulsión (le llama eTorque) por el cual desaparece la transmisión mecánica complicada de un tractor convencional. La tracción se consigue mediante motores eléctricos. Cada rueda dispone de un motor eléctrico que se conecta a los cubos de rueda (similar a los motores hidráulicos de, por ejemplo, las vendimiadoras) Las ruedas reciben la energía de forma independiente, por lo que la maniobrabilidad del tractor se supone inmejorable.

La tdf e incluso el elevador y servicios externos hidráulicos, también disponen de un motor eléctrico. En conjunto son por tanto cinco los motores eléctricos del Steyr Koncept. Los motores están conectados para recibir electricidad bien de la batería o bien del propio motor generador.

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Eje delantero: Yo apuesto por un eje convencional con servofrenos de disco húmedos (como en el trasero) o por eje con suspensión activa e independiente como parece que propone Steyr para solamente el eje delantero, en absoluto para el eje trasero.

Dirección a las cuatro ruedas: No, no lo pienso en esto para tractores de esta potencia.

Agricultura de Precisión: Quizá esto sea lo más estrambótico que veo en el prototipo austriaco. Ellos hablan de un dron equipado con sensores de cultivo que pueda volar por delante del tractor durante el trabajo de campo, transmitiendo datos en tiempo real a la cabina…

Y AHORA UN PREMIO MUY PRESTIGIOSO
Con fecha mayo del 2020 se ha conocido que el STEYR Konzept ha sido elegido entre 3820 propuestas de 50 países para el prestigioso premio de platino en el certamen MUSE Design Awards 2020. Enhorabuena a Steyr y a todo el grupo CNH

OTROS PROYECTOS
Ha habido otros proyectos en Agritechnica, no tan llamativos como el de CNH, pero que apuesta también por el camino de la hibridación. Quizá el más "realista" haya sido el del fabricante indio Farmtrac (Escorts Group) un fabricante muy poco conocido en España pero que se escuchará, creo, cada vez más (recuérdese que Farmtrac aunque es marca polaca es propiedad del grupo indio Escorts Ltd que fabrica ¡120.000 tractores al año!)

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Farmtrac ya lleva tiempo con tractores eléctricos, ahora ha presentado su modelo 6090 E Hybrid, un prototipo enchufable. Para el motor de combustión también han apostado por un 4 cilindros, aunque en este caso cubica menos que el NEF de Steyr; lógico, puesto que se trata de un tractor bastante más pequeño, 3680 cm3 para proporcionar 78 CV y fase V. La batería es de iones de litio y puede dar energía en modo híbrido (funcionan los motores eléctrico y combustión) o en modo eléctrico (solo funciona con el motor eléctrico) Con las dos fuentes de potencia, térmica y eléctrica, llega a los 90 CV. La transmisión es convencional, mecánica, 24+8 velocidades.

Farmtrac Hybrid del grupo Escorts 

¿QUÉ PASA SI SE CAE LA RED DE POSICIONAMIENTO GLOBAL GPS?

Aurora boreal (Foto Laura Lee)

ALGUNOS POLÍTICOS SE PREOCUPAN

La noticia me causó más sorpresa porque venía de un presidente norteamericano, en concreto de Barack Obama. Me estoy refiriendo a la noticia que saltó a los titulares unos días antes de terminar su mandato. El presidente Obama encargó a las autoridades de su país que estuviesen alerta ante la llegada de una posible tormenta solar. En concreto el máximo mandatario estadounidense pedía prevención ante un cambio climático espacial: “nuestra sociedad, nuestro país debe estar preparado ante una eventual tormenta solar”.

No es tan raro

Tormenta solar: Era 1859, el telégrafo era el “no va más” en las comunicaciones, y entonces ocurrió la catástrofe. Una enorme tormenta solar llegó a la Tierra, los cronistas apuntaban que se veían auroras boreales en ¡el caribe! Aquella gran tormenta hizo que hubiese “una caída” del telégrafo. Mucho más reciente, 1989, hubo otra gran tormenta solar, no fue tan grande pero si tuvo potencia suficiente para “fundir” un transformador en New Jersey (EEUU) y dejar a 6 millones de personas sin electricidad en la zona.

Aún más reciente, 23 julio 2012, una nube de miles de millones de toneladas de gases electrificados salió desde el Sol. Era tan grande como la ya nombrada de 1859 y con una velocidad de 10 millones de kilómetros por hora; ¿qué pasó? pues no llegó a la Tierra porque tuvimos la suerte que salió de la cara del Sol que no apuntaba a nuestro planeta.

La frecuencia de que ocurran este tipo de fenómenos es preocupante, porque además cada día se aumenta la cantidad de “chatarra” espacial y los satélites son los más expuestos a este tipo de tormentas.

Pero ¿qué es?: Una tormenta solar es la llegada desde el Sol de una radiación electromagnética (plasma magnetizado) mucho más fuerte que el habitual. Se trata de una radiación extrema que implica una alteración geomagnética.

“TORMENTA” PROVOCADA POR HUMANOS

También hay que tener en cuenta el ataque intencionado para la inutilización de algún satélite o constelación de satélites. Incluso la acción ya tiene nombre, spoofing.

La red de posicionamiento global GPS nació por necesidades militares, y con el mismo fin militar se puede pretender “desactivarla”, es la mejor forma de dejar "ciego y sordo" al enemigo; una táctica más en conflictos bélicos modernos.
Las grandes potencias militares tienen inhibidores de posicionamiento. Un inhibidor de señal de posicionamiento, corta o impide la comunicación de los satélites de comunicación y posicionamiento global con los receptores de una parte del planeta.

Los inhibidores pueden ser de mayor o menor tamaño dependiendo del área donde se quiera que actúen. Lo que hacen los inhibidores es generar “ruido” electromagnético (como las interferencias en la radio); un ruido que se programa en la misma frecuencia radioeléctrica que disponen los satélites. De esta forma los receptores o no reconocen o reconocen mal las señales, confunden a los receptores que no son capaces de entender las señales que llegan desde los satélites GNSS (Global Navigation Satellite System GNSS)

Con ello se altera, seriamente, las comunicaciones, señales GPS, móviles… y alterar todas esas armas que llevan el calificativo de "inteligente"
Un dato con respecto a la "inteligencia" y lo que se ha avanzado últimamente en ese calificativo: Si en la I guerra de Irak, 1991, las bombas se lanzaban casi como en la 2ª guerra mundial, es decir las lanzo y a ver como caen. Solo 12 años más tarde, en la II guerra de Irak, las bombas ya son "inteligentes", son capaces de buscar el objetivo. 

Equipo ruso para anular GPS

Lo puedo comprar hasta por internet: El problema que estos inhibidores son tan sencillos de obtener que asusta. Por supuesto en función del área que se pretenda “apantallar” se necesitan inhibidores "no comerciales", pero en cuanto a un equipo pequeño, incluso se pueden adquirir por internet (por 50 € se pueden encontrar en páginas de productos electrónicos “chinos”, allí se conocen como jammers)

Están prohibidos pero…: En eBay se publicitan como “amplificadores de señal” (a pesar de su nombre lo que suelen hacer es anular la señal) Pero, ¡ojo!, porque si lo compras pueden rastrear tu señal y en realidad ¡si no quieres que te encuentren, tener un inhibidor es la forma más sencilla de que lo hagan!

¿Y para qué querría yo un inhibidor GPS?: Pues se me ocurren varias cosas. Imagina que soy camionero, o taxista, o llevo coche de empresa y no deseo que mi empresa pueda rastrearme. Imagina que tampoco quiero pagar peaje. El cobro automático en las autopistas está preparadas para rastrear por GPS los vehículos, pero con un inhibidor puedo anular esa señal. O imaginemos que quiero confundir al tractor del vecino que se ha comprado un autoguiado y me da envidia… Con el inhibidor lo que consigo son decenas de “ocurrencias malas”, por ejemplo podría volar un dron en área restringida (alguno recordará como en 2015 un dron aterrizó en los jardines de la Casa Blanca y aunque entonces no llevaba malas intenciones podría haberlo hecho, explosivos, agentes químicos, espionaje…)

Pokemon Go: Hace 2 veranos que los niños salían a la calle a “cazar” pokemon. En la vorágine del boom Pokemon Go observé que mi hijo, ¡de 10 años!, era capaz de engañar al juego. Lo que hacía era "engañar" al móvil con el que jugaba, el mío. Le podía alterar la ubicación y decirle que estaba en Singapur, Nueva York o San Petersburgo… e incluso, repito un niño de 10 años, montaba “inhibidores” cerca de los “gimnasios de Pokemon”; de esta forma conseguía que ningún otro jugador pudiera entablar un combate con él y así nadie pudiese ganarle… ¡el gimnasio le seguía perteneciendo!

DAÑOS VARIADOS

Pero ¿cuales son los daños que en nuestra sociedad actual puede provocar una tormenta solar (natural o provocada)? Pues son, sencillamente, enormes, casi inimaginables. Las herramientas que dependen de los “relojes” de los satélites que conforman las constelaciones de posicionamiento global GNSS son cada vez más.
Hasta 2,6 billones de dólares estimaba en 2017 la compañía aseguradora Lloyd que costaría recuperarse de una tormenta solar… En el caso de una tormenta solar, el primer impacto llegará a los satélites de comunicaciones y a las diferentes “constelaciones” de GPS. Unos segundos más tarde, llegaría a la superficie terrestre y podría “fundir” transformadores eléctricos. Pero ahí no se queda la cosa, se podría afectar a la memoria de los ordenadores, teléfonos móviles… el caos sería total.

También el ejército conoce, y teme, su vulnerabilidad ya que esta tecnología controla tanto sus comunicaciones como su armamento.

Sociedad hiperconectada

Tractores autonómos grupo CNHi

El GPS se abrió al mundo civil hace apenas 30 años, hoy es una herramienta que nos ha hecho dependientes. En tu teléfono móvil, en el GoogleMaps, apareces como una “bolita azul” que se mueve cuando te mueves y que puedes pensar que solo indica de forma aproximada dónde estás pero que en realidad el sistema puede saberlo con pocos milímetros de error.

El planeta Tierra está sometido al entorno cambiante espacial. La sociedad moderna “hiperconectada” es muy vulnerable a las perturbaciones que puedan ocurrir en nuestra ionosfera ya que se altera la transmisión de ondas de radio que es como se comunican los satélites.

Mundo financiero: Todo el sistema financiero global depende del GPS, esto significa que toda la infraestructura económica depende de la señal de sincronización del GPS. Lo que hace que el Sistema de Posicionamiento Global sea tan crucial no es la parte de "posicionamiento” si no la capacidad de hacer que las máquinas de todo el planeta estén de acuerdo en qué hora es exactamente en este momento. Lo mismo ocurre con las “bolsas” de valores en las cuales para saber cuando entra una orden de compra o venta hay que saber exactamente en la décima de segundo que se hace; es la denominada conciliación de operaciones. Los cajeros automáticos funcionan en base a que los bancos pueden verificar que el dinero está allí y para ello se debe definir el “momento justo”, es decir, operaciones en “tiempo real”

Telecomunicaciones: Los móviles no se transmiten los datos entre si directamente si no a través de sus propias torres de comunicación. Debido a que el espectro de ondas de radio es limitado las transmisiones se sincronizan con precisión, es lo que se conoce como “ráfagas de comunicación”. Si no se ponen de acuerdo en "qué hora es" el caos está servido.

Red eléctrica: También se basa en una sincronización para entregar la energía en el momento justo.
Lo que deseo que quede claro es que el Sistema de Posicionamiento Global no se basa en “mapas” si no en “tiempo”, es decir en los relojes atómicos que portan los satélites GNSS y que están sincronizados con el Tiempo Universal Coordinado (UTC). Lo que hace el receptor GPS es adquirir señales y analizar pequeñas diferencias de tiempo para así determinar su posición exacta.

Tractores autónomos trabajando entre calles

AGRICULTURA CONECTADA

Hay muchos ejemplos en la agricultura de la dependencia actual que tiene la tecnología agrícola de la red de posicionamiento global, GNSS.

Agricultura de precisión: En 1994 se empezó a hablar de agricultura de precisión (AP) con el uso del GPS en los tractores. Desde entonces se ha ido aumentando la fiabilidad y la precisión de señal. Con la aparición de herramientas capaces de transmitir datos de posición en tiempo real se dio el primer paso.

Agua y cultivos: La teledetección es capaz de estudiar un área agrícola sin “pisar el terreno”. Se monitorea desde el espacio el área elegida y se puede, por ejemplo, adaptar el riego a las necesidades biológicas. También con estas fotografías “falsas” tomadas con diferentes sensores desde los satélites, se puede predecir el rendimiento de los cultivos o incluso catalogar tipos de tierra usando estas imágenes satelitales. Es una información enormemente válida para asignar recursos (semillas, prácticas de manejo de suelo, abono, fitosanitarios…) a las parcelas.

Pivot guiados por satélite

Autoguiado: Un sistema de posicionamiento global es capaz de conseguir pasadas de nuestra maquinaria agrícola “conectada” totalmente paralelas o laboreo a nivel o copiar los movimientos de un tractor “maestro”... Todo ello redunda en la capacidad de eliminar solapes con el consiguiente ahorro de combustible, fitosanitarios, semillas o fertilizantes.

En realidad el “guiado automático” se extiende también a actividades como la recolección automática de fresas, azafrán, diversas frutas… Para la “plena autonomía” la máquina, además del GPS, utiliza diversos sensores como los láseres que emiten señales (lidar)

Otra opción es la comunicación vehículo a vehículo (V2V) en la cual hay una conexión inalámbrica entre los dos tractores para intercambiar y compartir datos.

SOLUCIONES AL “APAGÓN” GPS

Tractor autónomo de New Holland para trabajo en viñedo y frutales

Expertos en seguridad de comunicaciones lo que recomiendan es estar, desde ya, preparados para la amenaza real de que desaparezca, al menos temporalmente, la cobertura GNSS. Las recomendaciones se basan en dos pilares fundamentales: la predicción “meteorológica” y el fortalecimiento de la infraestructura.

Predicción “meteorológica”: A nuestro favor juega que las tormentas solares son “predecibles” y actualmente el planeta cuenta con una red de observatorios astronómicos vigilando al Sol y los cambios en su superficie durante las 24 h del día. Sabiendo que viene una tormenta solar al menos se pueden apagar los sistemas para evitar deterioros.

Creación de un “reloj” en la Tierra: Los expertos aconsejan fortalecer la infraestructura (telefonía, electricidad…) con la generación de “su propio tiempo de alta calidad” durante un tiempo prudencial, por ejemplo, un mes. Pero esto solo sería posible para grandes empresas o infraestructuras, pero para pequeñas es inviable, por lo que en realidad proponen es construir otro “reloj” (igualmente de preciso) en la propia Tierra que “marque la hora” del planeta.

Otra solución es hacer que todas las constelaciones sean interoperativas: GPS norteamericana, Glonass rusa, Galileo europeo, BeiDou chino…

En cuanto a la protección a las “tormentas” humanas lo que se hace es perseguir que los equipos sean menos susceptibles a ataques cibernéticos. Esto se consigue mediante encriptaciones de alto nivel que básicamente se basan en algoritmos matemáticos que filtran el ruido electromagnético mediante los denominados filtros de Kalman.

El ejército también trabaja en posicionamientos cuánticos que son sistemas inerciales a través de acelerómetros “cuánticos”

Filtro de Kalman es un algoritmo que se desarrolló en 1961 para analizar sistemas dinámicos lineales, convirtiéndose en una excelente herramienta para procesamiento de señales y conseguir “eliminar” información “falsa”

"Última línea de defensa": Considero que las instituciones, policía, emergencias médicas, bomberos, deberían ser capaces de tener implementado un sistema para poder pasar a líneas convencionales en cuestión de minutos, es decir, tener siempre operativa la tecnología de hace 20 años (con ella no nos fue tan mal)
En cuanto al "mortal", y a nivel comercial, siempre nos quedará “el efectivo”. Es justo mi "máxima" ante los "gurús financieros": el "cash" es la mejor forma de evitar el "crash".