Luz al comienzo del túnel 

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El ser humano tiende a asociar los túneles con el tránsito hacia lo desconocido. Cuando bajamos al prosaico mundo de las infraestructuras, esta concepción tan trascendente no solo se mantiene, sino que adquiere un impacto económico, energético, medioambiental y, por supuesto, sobre la seguridad, de proporciones descomunales.

Entrar en un túnel significa entrar en la más absoluta oscuridad, por lo que su iluminación es un reto de primera magnitud que el conductor ni siquiera imagina cuando se aproxima a esas bocas iluminadas que nos adentran en las profundidades de las montañas.

Inyectar luz del sol en los túneles es una propuesta audaz, y está en marcha.

Investigadores de la Universidad de Granada y de la Universidad de Sevilla hemos diseñado un modelo novedoso para inyectar la luz solar en los túneles de las carreteras: se trata de un sistema acoplado en el que la captura del flujo luminoso se consigue gracias a colectores de luz (que funcionan a modo de sumideros) situados en el exterior, antes de la entrada del túnel, y su guía se realiza a través de lumiductos a ras de suelo o enterrados bajo los arcenes, hasta el interior del tubo, donde un mecanismo de apertura y distribución del flujo luminoso proyecta la luz hacia la bóveda, en la que una nueva superficie de geometría compleja logra una distribución homogénea de la iluminación sobre la calzada del túnel.

Inyección de luz solar mediante sistema óptico acoplado basado en tierra.
Elsevier, CC BY

Pero ¿por qué es tan relevante la iluminación de túneles y el aprovechamiento de la luz del Sol?

Peligro, trampa mortal

Al hablar de infraestructuras del transporte como carreteras, puentes o túneles, partimos de una premisa: sus usuarios no pueden perder la vida por una percepción visual deficiente.

Los accidentes en túneles son más graves porque una salida de la vía conlleva la colisión con una pared de hormigón y, por si fuera poco, se convierten en trampas mortales en caso de incendio. Por tanto, las exigencias visuales y psicológicas son muy altas.

Estas dos razones no son independientes entre sí sino que la primera suele ser consecuencia de la segunda. Por todo esto, la calidad del alumbrado de los túneles es un factor fundamental del que depende nuestra reacción ante cualquier situación de peligro.

Hace falta más luz de día que de noche

Comenzamos con una paradoja: en túneles, los conductores precisan niveles de iluminación mucho más altos durante el día que durante la noche. Hablamos de niveles de iluminación aunque en realidad trabajamos con una magnitud física llamada luminancia.

Esta paradoja responde a las características de las células de la retina que transforman la luz en impulsos nerviosos y que nuestro cerebro interpreta como sensaciones visuales. Son de tres tipos: conos, que trabajan a alta luminosidad, bastones, a baja luminosidad, y células ipRGC, de las que aún queda mucho por aprender y que canalizan vías no visuales como los ritmos circadianos, somnolencia, estrés, etc.

En conducción diurna nuestro cerebro recibe información de los conos, mientras los bastones permanecen saturados porque no pueden trabajar con tanta luz. Sin embargo, al pasar a ambientes poco iluminados el cerebro procesa señales de conos y bastones. Al entrar en el túnel los conos no funcionan porque necesitan mucha luz y los bastones están saturados. Es evidente que un conductor que recorre 28 metros cada segundo no puede permitirse esta lentísima adaptación visual. Por eso durante el día es necesario proporcionar una elevada luminancia especialmente en los 100-120 primeros metros del túnel (llamados zona umbral) para que los conos puedan funcionar como en el exterior. Esto conlleva elevados consumos de energía, proyectores, cableado y dispositivos auxiliares, un costoso mantenimiento, reciclado, etc.

La cuestión es si podríamos hacer el alumbrado de túneles más sostenible sin comprometer la seguridad. La respuesta es sí.

Contamos con distintas estrategias para conseguirlo.

Disminuir las necesidades lumínicas

Podemos colocar alrededor del portal de entrada al túnel elementos que reflejen poca luz solar, como vegetación o incluso placas fotovoltaicas, que además pueden alimentar dispositivos de balizamiento o emergencia del propio túnel. Así disminuye la luminosidad exterior y la adaptación del conductor al interior requiere menos luz. También se ha propuesto reducir la velocidad máxima de circulación por debajo de 100 km/h por ser ésta proporcional a la luminancia necesaria en el interior.

Placas solares sobre entrada de túnel para disminuir la luminosidad ambiental.
Elsevier, Author provided

Aprovechar la luz solar: una inyección de energía

También es posible desplazar la zona umbral fuera del túnel mediante estructuras que permitan el paso de cierta cantidad de luz, o inyectándola en el interior mediante sistemas ópticos como guías de luz tipo periscopio (lumiductos), difusores etc.

La primera opción consiste en la instalación de pérgolas o estructuras semitransparentes en la entrada del túnel como complemento lumínico a los proyectores. Aunque el ahorro es notable, el alargamiento del túnel con el consiguiente peligro, el posible deslumbramiento y la falta de uniformidad a ciertas horas del día son inconvenientes a considerar.

Inyección de luz solar en el túnel de Huashuyan.
International Journal of Photoenergy, CC BY

Finalmente, la luz solar puede introducirse en túneles mediante sistemas ópticos más o menos sofisticados sin necesidad de alargarlos. En la década pasada, un túnel de Huashuyan (China) incorporó un sistema de distribución de luz solar con lumiductos de fibra óptica.

Los dilemas de la inyección de luz solar

Un problema de la inyección es su alto coste al requerir túneles con altura (gálibo) no estándar. Además, el Sol no está permanentemente alineado con la entrada de los lumiductos, lo que reduce drásticamente el flujo luminoso captado y origina reflexiones que bajan aún más el rendimiento.

Para superar estos inconvenientes de la inyección de luz solar, se ha barajado instalar heliostatos exteriores que capten los rayos y los inyecten en los lumiductos en condiciones óptimas, solución no exenta de problemas.

Lo novedoso del sistema que acabamos de proponer para inyectar luz solar en túneles es que acopla colectores, lumiductos y bóveda distribuidora. Los colectores, situados en los laterales de la carretera, captan la luz y la llevan a unos lumiductos con un juego de lentes en su interior. Finalmente, una bóveda de propiedades reflectoras especiales la proyecta sobre la carretera. La ventaja, respecto a otros sistema descritos, es que ofrece la posibilidad de basar los lumiductos en tierra sin suspenderlos en altura. Así no se requiere gálibo especial y se pueden instalar en túneles ya existentes.

El enorme impacto del alumbrado de túneles sobre la seguridad y la sostenibilidad nos lleva a buscar soluciones de las que poco a poco empezamos a beneficiarnos y cuyas perspectivas son realmente prometedoras.

Antonio Manuel Peña García fue investigador principal del proyecto “Inyección de luz solar en túneles de carretera mediante un sistema acoplado Heliostato-Lumiductos para la minimización del consumo eléctrico (LUMITUNHEL)”. Dicho proyecto, con referencia ENE2015-67031-R (MINECO/FEDER), fue financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España entre el 01/01/2016 y el 31/12/2018.