La ingeniería marina es la ingeniería de barcos, buques, submarinos y cualquier otro buque marino . Aquí también se incluye la ingeniería de otros sistemas y estructuras oceánicas, a la que se hace referencia en ciertos círculos académicos y profesionales como "ingeniería oceánica". Después de completar esta carrera, uno puede unirse a un barco como oficial en el departamento de máquinas y eventualmente ascender al rango de ingeniero jefe . Este rango es uno de los más altos a bordo y es igual al rango de capitán de un barco. La ingeniería marina es la carrera más preferida para unirse a la Marina mercante como oficial, ya que brinda amplias oportunidades en términos de trabajos tanto a bordo como en tierra.
La ingeniería marina aplica una serie de ciencias de la ingeniería, incluidas la ingeniería mecánica , la ingeniería eléctrica , la ingeniería electrónica y la ingeniería informática , al desarrollo, diseño, operación y mantenimiento de sistemas oceánicos y de propulsión de embarcaciones . [1] Incluye, entre otros, plantas de energía y propulsión, maquinaria, tuberías, sistemas de automatización y control para vehículos marinos de cualquier tipo, así como estructuras costeras y marinas.
Arquímedes es considerado tradicionalmente el primer ingeniero naval, ya que desarrolló numerosos sistemas de ingeniería naval en la antigüedad. La ingeniería naval moderna se remonta a principios de la Revolución Industrial (principios del siglo XVIII).
En 1807, Robert Fulton utilizó con éxito una máquina de vapor para propulsar un buque a través del agua. El barco de Fulton utilizó el motor para impulsar una pequeña rueda de paletas de madera como sistema de propulsión marina . La integración de una máquina de vapor en una embarcación para crear una máquina de vapor marina fue el comienzo de la profesión de ingeniería marina. Solo doce años después de que el Clermont de Fulton hiciera su primer viaje, el Savannah marcó el primer viaje marítimo de América a Europa. Unos 50 años más tarde, las ruedas de paletas impulsadas por vapor alcanzaron su apogeo con la creación del Great Eastern , que era tan grande como uno de los buques de carga de la actualidad, de 700 pies de largo y 22.000 toneladas de peso. Los barcos de vapor de ruedas se convertirían en los pioneros de la industria de los barcos de vapor durante los siguientes treinta años hasta que apareció el siguiente tipo de propulsión. [2]
Existen varios caminos educativos para convertirse en ingeniero marino, todos los cuales incluyen la obtención de un título universitario o de nivel superior, como una Licenciatura en Ingeniería (B.Eng. o BE), una Licenciatura en Ciencias (B.Sc. o BS), una Licenciatura en Tecnología (B.Tech.), una Licenciatura en Gestión de Tecnología e Ingeniería Marina (B.TecMan & MarEng) o una Licenciatura en Ciencias Aplicadas (BASc.) en Ingeniería Marina.
Dependiendo del país y la jurisdicción, para obtener la licencia de ingeniero marino, puede requerirse un título de maestría , como una maestría en ingeniería (M.Eng.), una maestría en ciencias (M.Sc o MS) o una maestría en ciencias aplicadas (MASc.).
Algunos ingenieros marinos se incorporan a la profesión de forma lateral, ingresando desde otras disciplinas, como ingeniería mecánica , ingeniería civil , ingeniería eléctrica , ingeniería geomática e ingeniería ambiental , o desde campos basados en la ciencia, como geología , geofísica , física , geomática , ciencias de la Tierra y matemáticas . Para calificar como ingeniero marino, aquellos que cambian de profesión deben obtener un título de posgrado en ingeniería marina, como un M.Eng, MS, M.Sc. o MASc., después de graduarse de un programa universitario cuantitativo diferente.
Los temas fundamentales de estudio de ingeniería marina generalmente incluyen:
En la ingeniería de buques marítimos, la arquitectura naval se ocupa del diseño general del barco y su propulsión a través del agua, mientras que la ingeniería marina garantiza que los sistemas del barco funcionen según el diseño. [3] Aunque tienen disciplinas distintivas, los arquitectos navales y los ingenieros marinos a menudo trabajan codo con codo.
La ingeniería oceánica se ocupa de otras estructuras y sistemas en el océano o adyacentes a él, incluidas las plataformas marinas , las estructuras costeras como muelles y puertos , y otros sistemas oceánicos como la conversión de energía de las olas del océano y los sistemas de soporte vital submarino . [4] De hecho, esto hace que la ingeniería oceánica sea un campo distintivo de la ingeniería marina, que se ocupa específicamente del diseño y la aplicación de sistemas de a bordo. [5] Sin embargo, debido a su nomenclatura similar y múltiples disciplinas centrales superpuestas (por ejemplo , hidrodinámica , hidromecánica y ciencia de los materiales ), la "ingeniería oceánica" a veces opera bajo el término general de "ingeniería marina", especialmente en la industria y el mundo académico fuera de los EE. UU. La misma combinación se ha aplicado al resto de este artículo.
La oceanografía es un campo científico que se ocupa de la adquisición y el análisis de datos para caracterizar el océano. Aunque son disciplinas separadas, la ingeniería marina y la oceanografía están estrechamente relacionadas: los ingenieros marinos suelen utilizar datos recopilados por oceanógrafos para fundamentar sus diseños e investigaciones, y los oceanógrafos utilizan herramientas diseñadas por ingenieros marinos (más específicamente, ingenieros oceanográficos) para avanzar en su comprensión y exploración del océano. [6]
La ingeniería naval incorpora muchos aspectos de la ingeniería mecánica. Una manifestación de esta relación radica en el diseño de los sistemas de propulsión a bordo. Los ingenieros mecánicos diseñan la planta de propulsión principal , los aspectos de potencia y mecanización de las funciones del barco, como la dirección, el anclaje , la manipulación de la carga , la calefacción, la ventilación, el aire acondicionado, la comunicación interior y exterior y otros requisitos relacionados. Los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica suelen estar diseñados por sus proveedores; la única responsabilidad de diseño de la ingeniería naval es la instalación.
Además, la comprensión de temas de ingeniería mecánica como dinámica de fluidos , mecánica de fluidos , teoría de ondas lineales , resistencia de materiales , mecánica estructural y dinámica estructural es esencial para el repertorio de habilidades de un ingeniero naval. Estas y otras materias de ingeniería mecánica sirven como un componente integral del plan de estudios de ingeniería naval. [7]
Los conceptos de ingeniería civil juegan un papel importante en muchos proyectos de ingeniería marina, como el diseño y la construcción de estructuras oceánicas, puentes y túneles oceánicos y el diseño de puertos.
La ingeniería marina a menudo se ocupa de los campos de la ingeniería eléctrica y la robótica , especialmente en aplicaciones relacionadas con el empleo de cables de aguas profundas y UUV.
Una serie de cables transoceánicos de fibra óptica son responsables de conectar gran parte de las comunicaciones del mundo a través de Internet , y transportan hasta el 99 por ciento del tráfico de señales e Internet global total. Estos cables deben estar diseñados para soportar entornos de aguas profundas que son remotos y a menudo implacables, con presiones y temperaturas extremas, así como posibles interferencias de la pesca , la pesca de arrastre y la vida marina .
El uso de vehículos submarinos no tripulados (UUV) se beneficia del uso de algoritmos autónomos y redes. Los ingenieros marinos aspiran a aprender cómo se pueden utilizar los avances en autonomía y redes para mejorar las tecnologías UUV existentes y facilitar el desarrollo de vehículos submarinos más capaces.
El conocimiento de la ingeniería marina resulta útil en el campo de la ingeniería petrolera, ya que la hidrodinámica y la integración del fondo marino sirven como elementos clave en el diseño y mantenimiento de plataformas petroleras marinas .
La construcción marina es el proceso de construir estructuras dentro o junto a grandes masas de agua, generalmente el mar. Estas estructuras se pueden construir para diversos fines, incluidos el transporte, la producción de energía y la recreación. La construcción marina puede implicar el uso de diversos materiales de construcción, predominantemente acero y hormigón . Algunos ejemplos de estructuras marinas incluyen barcos, plataformas marinas, amarres, tuberías, cables, muelles, puentes, túneles, rompeolas y diques.
De la misma manera que los ingenieros civiles diseñan para soportar las cargas del viento en edificios y puentes, los ingenieros navales diseñan para soportar un barco o submarino golpeado por las olas millones de veces a lo largo de la vida del buque. Estas condiciones de carga también se encuentran en la construcción naval y la ingeniería costera.
Cualquier buque de navegación marítima tiene la necesidad constante de estabilidad hidrostática. Un arquitecto naval , como un diseñador de aviones, se preocupa por la estabilidad . Lo que hace que el trabajo del arquitecto naval sea único es que un barco opera en dos fluidos simultáneamente: agua y aire. Incluso después de que un barco haya sido diseñado y puesto en el mar, los ingenieros navales se enfrentan al desafío de equilibrar la carga, ya que apilar contenedores verticalmente aumenta la masa del barco y desplaza el centro de gravedad hacia arriba. El peso del combustible también presenta un problema, ya que el cabeceo del barco puede hacer que el líquido se mueva, lo que resulta en un desequilibrio. En algunos buques, este desequilibrio se contrarrestará almacenando agua dentro de tanques de lastre más grandes . Los ingenieros navales son responsables de la tarea de equilibrar y rastrear el combustible y el agua de lastre de un barco. Las estructuras flotantes en alta mar tienen restricciones similares.
El ambiente de agua salada al que se enfrentan los buques de navegación marítima los hace muy susceptibles a la corrosión. En cada proyecto, los ingenieros navales se preocupan por la protección de la superficie y la prevención de la corrosión galvánica . La corrosión se puede inhibir mediante la protección catódica introduciendo piezas de metal (por ejemplo, zinc ) que actúen como un "ánodo de sacrificio" en la reacción de corrosión. Esto hace que el metal se corroa en lugar del casco del barco. Otra forma de prevenir la corrosión es enviando una cantidad controlada de corriente continua baja a través del casco del barco, modificando así la carga eléctrica del casco y retrasando la aparición de la corrosión electroquímica. Se encuentran problemas similares en las estructuras costeras y marinas.
La eliminación de organismos obstructivos es el proceso de eliminación de los componentes esenciales de los sistemas de agua de mar. Según la naturaleza y la ubicación de los organismos marinos, este proceso se lleva a cabo de distintas maneras:
La quema de combustibles marinos libera contaminantes nocivos a la atmósfera. Los barcos queman diésel marino además de fueloil pesado . El fueloil pesado, al ser el más pesado de los aceites refinados , libera dióxido de azufre cuando se quema. Las emisiones de dióxido de azufre tienen el potencial de aumentar la acidez atmosférica y oceánica causando daños a la vida marina. Sin embargo, el fueloil pesado solo puede quemarse en aguas internacionales debido a la contaminación creada. Es comercialmente ventajoso debido a la relación costo-beneficio en comparación con otros combustibles marinos. Se prevé que el fueloil pesado se elimine gradualmente del uso comercial para el año 2020 (Smith, 2018). [10]
El agua, el aceite y otras sustancias se acumulan en el fondo del barco, en lo que se conoce como sentina. El agua de sentina se bombea por la borda, pero debe pasar una prueba de umbral de contaminación de 15 ppm (partes por millón) de aceite para poder descargarse. El agua se prueba y se descarga si está limpia o se recircula a un tanque de retención para separarla antes de volver a probarla. El tanque al que se envía de vuelta, el separador de agua oleosa, utiliza la gravedad para separar los fluidos debido a su viscosidad. Los buques de más de 400 toneladas brutas deben llevar el equipo para separar el aceite del agua de sentina. Además, como lo exige MARPOL, todos los buques de más de 400 toneladas brutas y todos los petroleros de más de 150 toneladas brutas deben registrar todas las transferencias de petróleo en un libro de registro de petróleo (EPA, 2011). [11]
La cavitación es el proceso de formación de una burbuja de aire en un líquido debido a la vaporización de ese líquido causada por un área de baja presión. Esta área de baja presión reduce el punto de ebullición de un líquido, lo que le permite vaporizarse y convertirse en gas. La cavitación puede tener lugar en las bombas, lo que puede dañar el impulsor que mueve los fluidos a través del sistema. La cavitación también se observa en la propulsión. Se forman bolsas de baja presión en la superficie de las palas de la hélice a medida que aumentan sus revoluciones por minuto (IIMS, 2015). [12] La cavitación en la hélice provoca una implosión pequeña pero violenta que podría deformar la pala de la hélice. Para remediar el problema, más palas permiten la misma cantidad de fuerza de propulsión pero a una menor tasa de revoluciones. Esto es crucial para los submarinos, ya que la hélice necesita mantener el buque relativamente tranquilo para permanecer oculto. Con más palas de hélice, el buque puede lograr la misma cantidad de fuerza de propulsión a menores revoluciones del eje.
Las siguientes categorías proporcionan una serie de áreas de enfoque en las que los ingenieros marinos dirigen sus esfuerzos.
Al diseñar sistemas que funcionan en el Ártico (especialmente equipos científicos como instrumentación meteorológica y boyas oceanográficas ), los ingenieros marinos deben superar una serie de desafíos de diseño. El equipo debe poder funcionar a temperaturas extremas durante períodos prolongados de tiempo, a menudo con poco o ningún mantenimiento. Esto crea la necesidad de materiales excepcionalmente resistentes a la temperatura y componentes electrónicos de precisión duraderos. [ cita requerida ]
La ingeniería costera aplica una combinación de ingeniería civil y otras disciplinas para crear soluciones costeras para áreas a lo largo o cerca del océano. Para proteger las costas de las fuerzas de las olas , la erosión y el aumento del nivel del mar , los ingenieros marinos deben considerar si utilizarán una solución de infraestructura "gris" (como un rompeolas, una alcantarilla o un muro marino hecho de rocas y hormigón) o una solución de infraestructura "verde" que incorpore plantas acuáticas, manglares y/o ecosistemas pantanosos. [13] Se ha descubierto que la infraestructura gris cuesta más de construir y mantener, pero puede proporcionar una mejor protección contra las fuerzas oceánicas en entornos de olas de alta energía. [14] Una solución verde es generalmente menos costosa y está mejor integrada con la vegetación local, pero puede ser susceptible a la erosión o daños si se ejecuta de forma incorrecta. [15] En muchos casos, los ingenieros seleccionarán un enfoque híbrido que combina elementos de las soluciones grises y verdes. [16]
El diseño de sistemas de soporte vital submarino, como los hábitats submarinos, presenta un conjunto único de desafíos que requieren un conocimiento detallado de los recipientes a presión, la fisiología del buceo y la termodinámica.
Los ingenieros navales pueden diseñar o hacer uso frecuente de vehículos submarinos no tripulados , que operan bajo el agua sin un ser humano a bordo. Los UUV suelen realizar trabajos en lugares a los que, de otro modo, sería imposible o difícil acceder para los seres humanos debido a una serie de factores ambientales (por ejemplo, profundidad, lejanía y/o temperatura). Los UUV pueden ser operados de forma remota por seres humanos, como en el caso de los vehículos operados de forma remota , semiautónomos o autónomos .
El desarrollo de las ciencias oceanográficas , la ingeniería submarina y la capacidad de detectar, rastrear y destruir submarinos ( guerra antisubmarina ) requirieron el desarrollo paralelo de una gran cantidad de instrumentación y sensores científicos marinos . La luz visible no se transfiere lejos bajo el agua, por lo que el medio para la transmisión de datos es principalmente acústico . El sonido de alta frecuencia se utiliza para medir la profundidad del océano, determinar la naturaleza del fondo marino y detectar objetos sumergidos. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la definición de los datos que se devuelven. La navegación y medición de distancia por sonido o SONAR se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial para detectar submarinos y se ha perfeccionado enormemente hasta el día de hoy. De manera similar, los submarinos utilizan equipos de sonar para detectar y apuntar a otros submarinos y barcos de superficie, y para detectar obstáculos sumergidos como montes submarinos que representan un obstáculo para la navegación. Las ecosondas simples apuntan directamente hacia abajo y pueden brindar una lectura precisa de la profundidad del océano (o mirar hacia la parte inferior del hielo marino). Las ecosondas más avanzadas utilizan un haz o sonido en forma de abanico, o varios haces, para obtener imágenes muy detalladas del fondo del océano. Los sistemas de alta potencia pueden penetrar el suelo y las rocas del fondo marino para proporcionar información sobre la geología del fondo marino, y se utilizan ampliamente en geofísica para el descubrimiento de hidrocarburos o para estudios de ingeniería. Para las comunicaciones submarinas de corto alcance, es posible la transmisión óptica, principalmente mediante láseres azules . Estos tienen un gran ancho de banda en comparación con los sistemas acústicos, pero el alcance suele ser de solo unas pocas decenas de metros, e idealmente de noche. Además de las comunicaciones acústicas y la navegación, se han desarrollado sensores para medir parámetros oceánicos como la temperatura, la salinidad , los niveles de oxígeno y otras propiedades, incluidos los niveles de nitrato, los niveles de sustancias químicas traza y el ADN ambiental . La tendencia de la industria ha sido hacia sistemas más pequeños, más precisos y más asequibles para que puedan ser comprados y utilizados por departamentos universitarios y pequeñas empresas, así como por grandes corporaciones, organizaciones de investigación y gobiernos. Los sensores e instrumentos se instalan en sistemas autónomos y controlados a distancia, así como en barcos, y permiten a estos sistemas realizar tareas que hasta ahora requerían una costosa plataforma tripulada por humanos. La fabricación de sensores e instrumentos marinos se lleva a cabo principalmente en Asia, Europa y América del Norte. Los productos se anuncian en revistas especializadas y en ferias comerciales.como Oceanology International y Ocean Business, que ayudan a dar a conocer los productos.
En todos los proyectos costeros y marinos, la sostenibilidad ambiental es una consideración importante para la preservación de los ecosistemas oceánicos y los recursos naturales . Entre los casos en los que los ingenieros marinos se benefician del conocimiento de la ingeniería ambiental se incluyen la creación de pesquerías , la limpieza de derrames de petróleo y la creación de soluciones costeras . [17]
Una serie de sistemas diseñados total o parcialmente por ingenieros marinos se utilizan en alta mar, lejos de las costas.
El diseño de plataformas petroleras marinas implica una serie de desafíos de ingeniería marina. Las plataformas deben poder soportar las corrientes oceánicas , las fuerzas de las olas y la corrosión del agua salada, al tiempo que permanecen estructuralmente integrales y completamente ancladas al lecho marino . Además, los componentes de perforación deben estar diseñados para afrontar estos mismos desafíos con un alto factor de seguridad para evitar que las fugas y los derrames de petróleo contaminen el océano.
Los parques eólicos marinos se enfrentan a muchos desafíos de ingeniería marina similares a los de las plataformas petrolíferas. Proporcionan una fuente de energía renovable con un rendimiento mayor que los parques eólicos en tierra, y al mismo tiempo encuentran menos resistencia por parte del público en general ( véase NIMBY ). [18]
Los ingenieros navales siguen investigando la posibilidad de que la energía de las olas del océano sea una fuente viable de energía para aplicaciones distribuidas o en red . Se han propuesto muchos diseños y se han construido numerosos prototipos, pero el problema de aprovechar la energía de las olas de una manera rentable sigue en gran medida sin resolverse. [19]
Un ingeniero naval también puede ocuparse de la planificación, creación, expansión y modificación de diseños de puertos y bahías . Los puertos pueden ser naturales o artificiales y protegen a los barcos anclados del viento, las olas y las corrientes. [20] Los puertos pueden definirse como una ciudad, pueblo o lugar donde los barcos están amarrados, cargados o descargados. Los puertos suelen residir dentro de un puerto y están formados por una o más terminales individuales que manejan una carga particular, incluidos pasajeros, carga a granel o carga en contenedores . [21] Los ingenieros navales planifican y diseñan varios tipos de terminales y estructuras marítimas que se encuentran en los puertos, y deben comprender las cargas impuestas a estas estructuras a lo largo de su vida útil.
Las técnicas de salvamento marítimo se modifican y mejoran continuamente para recuperar los restos de naufragios. Los ingenieros navales utilizan sus conocimientos para ayudar en algunas etapas de este proceso.
Los ingenieros navales, que cuentan con una formación diversa en ingeniería, trabajan en una variedad de puestos de trabajo en todos los campos de las matemáticas, la ciencia, la tecnología y la ingeniería. Algunas empresas, como Oceaneering International y Van Oord, se especializan en ingeniería naval, mientras que otras empresas asesoran a ingenieros navales para proyectos específicos. Este tipo de asesoramiento es habitual en la industria petrolera, donde empresas como ExxonMobil y BP contratan ingenieros navales para gestionar aspectos de sus proyectos de perforación en alta mar.
La ingeniería marina se presta a una serie de aplicaciones militares , principalmente relacionadas con la Armada . Los Seabees , el Cuerpo de Ingenieros Civiles y los Oficiales de Servicio de Ingeniería de la Armada de los Estados Unidos suelen realizar trabajos relacionados con la ingeniería marina. Los contratistas militares (especialmente los de los astilleros navales) y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército también desempeñan un papel en ciertos proyectos de ingeniería marina.
En 2012, las ganancias anuales promedio de los ingenieros navales en los EE. UU. fueron de $ 96,140 con ganancias promedio por hora de $ 46.22. [22] Como campo, se predice que la ingeniería naval crecerá aproximadamente un 12% de 2016 a 2026. Actualmente, hay alrededor de 8,200 arquitectos navales e ingenieros navales empleados, sin embargo, se espera que este número aumente a 9,200 para 2026 (BLS, 2017). [23] Esto se debe al menos en parte al papel crítico de la industria naviera en la cadena de suministro del mercado global; el 80% del comercio mundial por volumen se realiza en el extranjero por cerca de 50,000 barcos, todos los cuales requieren ingenieros navales a bordo y en tierra (ICS, 2017). [24] Además, la energía offshore continúa creciendo y existe una mayor necesidad de soluciones costeras debido al aumento del nivel del mar .
Las universidades marítimas se dedican a la enseñanza y formación de estudiantes en profesiones marítimas. Los ingenieros navales suelen tener una licenciatura en ingeniería naval, tecnología de ingeniería naval o ingeniería de sistemas navales. Los empleadores valoran la formación práctica junto con la licenciatura.
Varias instituciones, entre ellas el MIT , [26] la UC Berkeley , [27] la Academia Naval de los Estados Unidos , [28] y la Universidad Texas A&M [29] , ofrecen una licenciatura de cuatro años en ciencias específicamente en ingeniería oceánica. Los programas acreditados consisten en materias básicas de matemáticas y ciencias de pregrado como cálculo , estadística , química y física ; materias fundamentales de ingeniería como estática , dinámica , ingeniería eléctrica y termodinámica ; y materias más especializadas como análisis estructural oceánico , hidromecánica y gestión costera .
Los estudiantes de posgrado en ingeniería oceánica toman clases sobre temas más avanzados y profundos mientras realizan investigaciones para completar una tesis de posgrado. El Instituto Tecnológico de Massachusetts ofrece títulos de maestría y doctorado específicamente en ingeniería oceánica. [30] Además, el MIT organiza un programa conjunto con la Institución Oceanográfica Woods Hole para estudiantes que estudian ingeniería oceánica y otros temas relacionados con los océanos a nivel de posgrado. [31] [32]
Las revistas sobre ingeniería oceánica incluyen Ocean Engineering , [33] el IEEE Journal of Oceanic Engineering [34] y el Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering . [35]
Las conferencias en el campo de la ingeniería marina incluyen la Conferencia y Exposición OCEANS de la IEEE Oceanic Engineering Society [36] y la Conferencia Europea de Energía Undimotriz y Mareomotriz (EWTEC). [37]