Ayudas a la Navegación: Clases y Técnicas empleadas
El diccionario de la Asociación Internacional de Señalización Marítima (AISM/IALA) define las ayudas a la navegación como cualquier dispositivo visual, acústico o radioeléctrico destinado a garantizar la seguridad a la navegación y a facilitar sus movimientos.
Hay, pues, tres tipos de ayudas a la navegación:
- Visuales, dotadas o no de luz
- Acústicas, basadas en la emisión de sonidos
- Radioeléctricas, que emplean la emisión o recepción de ondas electromagnéticas
El marino, para percibir las ayudas visuales o acústicas, sólo necesita sus sentidos. Sin embargo, para percibir las señales radioeléctricas, necesita disponer de equipos específicos que las detecten.
En cualquier caso, deben guiar al navegante con seguridad tanto en sus travesías como en los accesos a las instalaciones portuarias.
Con excepción de las ayudas acústicas, todas las demás permiten a los barcos fijar su posición en el mar, sirviéndose de una carta náutica, con una exactitud dependiente del tipo de ayuda que utilice.
Las ayudas sonoras, trompetas, cuernos, campanas, cañonazos, silbatos o las actuales sirenas de aire comprimido o de vibradores electromagnéticos, se han utilizado siempre para tratar de ayudar al navegante en caso de niebla, sin embargo no tienen demasiada utilidad ya que no permiten a éste fijar su posición con respecto a ellas.
Ayudas visuales
Las ayudas visuales han sido siempre las clásicas ya que se dirigen directamente a los sentidos del navegante y no es necesario llevar a bordo instrumentos especiales para su detección.
El mensaje que comunican puede identificarse con facilidad y es posible determinar la posición en que nos encontramos consultando tan sólo los libros de Derroteros o los libros de Faros y la carta náutica de la zona.
Las ayudas visuales podemos clasificarlas en señales ciegas y señales luminosas. La señal ciega transmite su mensaje durante el día, mientras que la señal luminosa se encarga de transmitir el mismo mensaje pero durante la noche.
El mensaje diurno está formado por el color, la forma y la marca de tope de la señal pero sólo puede reconocerse en general a distancias cortas de unos cientos de metros.
Estas distancias dependen fundamentalmente de la agudeza visual, del contraste con el fondo sobre el que se proyecta, de la transparencia de la atmósfera, etc. Su información es útil para todo tipo de navegación, pero especialmente para la navegación costera, para los pesqueros de bajura o para las embarcaciones deportivas.
Las señales visuales nocturnas transmiten su mensaje a través del color de su luz y del ritmo de la misma, es decir de las fases de luz y oscuridad que se suceden en ella de forma rítmica o repetitiva.
Su alcance luminoso puede ser tan grande como queramos, pero está limitado por el alcance geográfico que viene determinado a su vez por la curvatura de la tierra.
Dentro de las ayudas luminosas podemos distinguir muchos tipos como faros, balizas, luces de puerto, enfilaciones, luces de sectores, boyas, buques-faro, etc.
Los faros son ayudas cuya marca diurna tiene una forma no normalizada, están situados en puntos singulares de la costa y su alcance luminoso es muy elevado, por lo que pueden considerarse como señales con personalidad propia.
Las balizas pueden situarse en tierra sobre postes fijos o en el mar sobre boyas. Su alcance es menor que el de los faros y suelen colocarse en canales o en puntos de peligro próximos a las aguas navegables.
Las luces de puerto se sitúan en los morros de los diques de abrigo, en los extremos de los muelles o en los bordes de las zonas dragadas y su misión es guiar al marino tanto a la entrada como a la salida de aquel.
Las enfilaciones y las luces de sectores marcan rutas seguras para llegar a puerto.
Ayudas acústicas
Las señales acústicas, o de niebla, son ayudas complementaria en los casos en que los faros quedan inutilizados debido a las condiciones meteorológicas.
Los cañones, hoy en desuso, producían explosiones a intervalos regulares de forma automática.
Los silbatos se instalan sobre boyas, utilizando el oleaje y el movimiento de la boya para empujar el aire.
El sonido no es constante y no funcionan con la mar en calma.
Las campanas se sitúan sobre boyas o en tierra, y el martillo se acciona por gas o electricidad.
Las sirenas o nautófonos, instaladas en tierra, se basa en el paso de aire comprimido por una bocina.
Los vibradores electromagnéticos consisten en unas membranas que vibran por medio de unos electroimanes.
Gracias a la electrónica, se puede dotar a cada señal de una característica que consiste en una codificación morse que se emite a intervalos.
Ayudas radioeléctricas
Las ayudas radioeléctricas a la navegación surgieron como una aplicación de las ondas de radio a la determinación de la posición de los barcos en el mar ya que la utilización de las ayudas visuales dependía de las condiciones atmosféricas.
Sin embargo esta circunstancia no afectaba a las ondas de radio que tenían también la ventaja de permitir determinar la posición del barco de manera más rápida y sobre todo con mayor exactitud, lo que permitía una navegación más segura.
Las ayudas radioeléctricas, nacidas como complemento de las visuales, han evolucionado enormemente y se han convertido en las ayudas del futuro al no depender de las condiciones atmosféricas y alcanzar grandes distancias, algunas de ellas incluso todo el globo.
Al igual que las ayudas visuales, este otro tipo de ayudas son externas al barco que debe contar a bordo con los equipos necesarios para poder usarlas.
Entre las ayudas radioeléctricas mas utilizadas se encuentran los radiofaros, racones, intensificadores de blanco de radar (RTE), dispositivos de control de tráfico de buques (VTS), sistemas de navegación hiperbólicos y sistemas de navegación basados en satélites.
Radiofaros
Al igual que sucede con las ayudas visuales, los radiofaros permiten a los barcos tomar demoras a ellos mediante el radiogoniómetro y determinar su posición por la intersección de dos o más demoras.
El radiogoniómetro se basa en la propiedad que tienen las antenas de cuadro o direccionales de que su voltaje de salida es máximo cuando están orientadas en la dirección de procedencia de la señal de radio.
La emisión de los radiofaros puede ser a intervalos o de modo continuo e incluye su identificación en código Morse.
En general los radiofaros son omnidireccionales pero también existen los direccionales, cuya utilidad es análoga a la de las enfilaciones o las luces direccionales.
De acuerdo con las recomendaciones de la AISM/IALA una aplicación reciente de los radiofaros es su uso para la transmisión de correcciones de los sistemas diferenciales basados en los de navegación por satélite y éste es su futuro pues, como señal de radiogoniometría, los radiofaros están perdiendo vigencia y, en un plazo no muy largo, dejarán de emplearse con este objeto.
Radiofaros circulares: estaciones transmisoras de código morse, que emiten en todas direcciones una señal determinada, con frecuencia fija.
Trabajan en grupos, y cada grupo tiene una señal distinta e idéntica frecuencia. Son útiles para alcances de hasta 50 millas, y en condiciones meteorológicas adversas.
Radiofaros direccionales: constan de dos antenas, y la conjunción de las dos señales emitidas permite caracterizar la enfilación marcada. En la enfilación se recibe una serie de puntos de igual duración e intensidad.
En las inmediaciones de la enfilación, varía el patrón de intensidad de los puntos, y al alejarse de la enfilación, varía el período de los puntos. Esto permite al navegante corregir su posición.
Se utilizan básicamente para marcar la entrada a puertos, rías o bahías, o para marcar rutas en mar abierto.
Sistemas hiperbólicos
Su fundamento es la determinación de la diferencia de tiempo o fase con que se reciben en un receptor las señales procedentes de dos estaciones emisoras situadas en tierra.
Como el posicionamiento es en dos dimensiones, conocer la diferencia de las distancias a las dos estaciones significa que el lugar geométrico de los puntos en que se puede encontrar el usuario (barco, avión, etc.) es una hipérbola cuyos focos son las estaciones.
Mediante la intersección de dos o más hipérbolas es posible determinar la posición del usuario.
Han existido varios sistemas basados en este principio y, actualmente, sólo hay tres en funcionamiento: LORAN-C, CHAYKA y DECCA. Este último está en vías de desaparición.
Los sistemas de posicionamiento LORAN-C (EE.UU.) y CHAYKA (Rusia) se basan en la medición de las diferencias de tiempo con que se reciben las señales por el navegante, el cual puede determinar su posición con una exactitud mejor que 0,25 millas náuticas (2dRMS).
Las estaciones se agrupan, por zonas geográficas, en cadenas que cuentan con un centro de control, una estación principal (maestra) y dos o más secundarias (esclavas).
En este momento hay repartidas por todo el mundo del orden de 30 cadenas de ambos sistemas, entre las que cabe destacar NELS (North-West European LORAN-C System), que comprende toda Europa noroccidental desde los países bálticos hasta Francia, y FERNS (Far East Radio Navigation Service), que abarca el nordeste asiático e incluye Rusia, China, Corea y Japon.
Sistemas de radar
El RADAR, cuyo nombre proviene de las siglas de su denominación en inglés (Radio Detecting and Banging), es un sistema basado en un emisor/receptor de microondas que, con una antena rotatoria, emite en todas direcciones pulsos potentes concentrados en un haz estrecho y recibe los ecos de sus propios pulsos sobre los obstáculos circundantes: masas continentales, buques, boyas, etc.
Las señales reflejadas aparecen en una pantalla que permite al navegante ver el perfil de la costa con sus puntos más singulares y los objetos que le rodean, con lo cual puede evitar posibles colisiones.
El equipo de radar que llevan los barcos a bordo no constituye una ayuda a la navegación en el sentido que aquí se emplea pero sí lo es el denominado reflector activo de radar o RACON (RAdar beaCON), un receptor/transmisor vinculado a una ayuda de otro tipo, que trabaja en las bandas de frecuencias del radar marino.
El racon, cuando recibe un pulso del radar del barco, emite una señal que en la pantalla del barco le indica a éste su código de identificación en Morse, la distancia entre ambos y la demora en que se encuentra.
Existen varios tipos de racones, entre los que cabe citar los de barrido lento y los de frecuencia ágil; los primeros ya no se fabrican, por lo que pronto desaparecerán.
Dentro de este mismo tipo de ayudas hay otra, de reciente implantación, denominada intensificador de blancos de radar o RTE (Radar Target Enhancer) cuyo funcionamiento es análogo al del racon, pero con menos prestaciones ya que únicamente refuerza su imagen en la pantalla de radar, y cuya efectividad está a medio camino entre el reflector activo y el reflector pasivo de radar.
Este último consiste en un elemento formado por diedros o triedros para aumentar su sección a efectos del radar y facilitar su localización.
Navegacion por satelite
Dentro de las ayudas a la navegación de tipo radioeléctrico, la innovación más importante que se ha producido en los últimos tiempos ha sido la aparición de los sistemas basados en el empleo de satélites para la determinación de la posición de un punto, sea fijo o móvil.
Estos sistemas de posicionamiento se pueden dividir en dos grupos, aunque solamente los del primero se consideran verdaderos sistemas de navegación:
– Los constituidos por una serie de estaciones que emiten señales indiscriminadamente, las cuales son analizadas por un receptor que permite al navegante obtener su posición (exactamente la de su antena receptora) así como otras informaciones facilitadas por el sistema.
En este grupo se incluyen los sistemas: NNSS (Navy Navígation Satellite System) más conocido como TRANSIT, puesto a punto por la Armada de EE.UU. y ya desaparecido; NAVSTAR-GPS (Navigation System Time and Ranging-Global Positioning System), desarrollado y explotado por el Departamento de Defensa de EE.UU.: y GLONASS (Global Navigation Satellite System), proyecto de la antigua URSS y actualmente controlado y explotado por Rusia.
– Los denominados RDSS (Radio Determination Satellite Services), en los que sus estaciones interrogan a los usuarios, éstos responden mediante sus receptores-transmisores y las estaciones analizan las respuestas recibidas e informan a los usuarios de su posición después de un tiempo apreciable. Se configuran como servicios mixtos de comunicaciones móviles y radiodeterminación.
Dentro de este grupo están los sistemas; GEOSTAR y STARFIX (ambos operados por EE.UU.), el servicio de posicionamiento de INMARSAT-Standard C (EE.UU. y U.K.), ARGOS (Francia) y EUTELTRACS (promovido por ALCATEL en varios países europeos).
Hasta ahora, todos ellos se han desarrollado con fines militares, aunque posteriormente han pasado a ser de libre disposición, con ciertas limitaciones en algunos casos, y han sido concebidos para proporcionar cobertura mundial.
Los equipos de los usuarios son muy sofisticados pues se requieren complejos dispositivos de cálculo debido a la cantidad de datos que han de procesarse y a la rapidez con que dicho proceso debe llevarse a cabo.
El costo de la infraestructura es elevado no sólo en la fase de establecimiento sino también en la de explotación, dentro de la cual representa un capítulo importante la necesidad de renovar periódicamente los satélites.
Estos sistemas constan de tres subsistemas o segmentos: segmento espacial, integrado por los satélites; segmento de control, encargado del seguimiento de los satélites, cálculo de su posición (efemérides) y corrección de errores; y segmento de usuarios, formado por los equipos de los usuarios.
Los sistemas de navegación por satélite se conocen también con el nombre genérico GNSS (GIobal Navigation Satellite System) y dentro de ellos se distinguen dos generaciones: GNSS-1 y GNSS-2.
La primera comprende los actuales GPS y GLONASS así como unos sistemas diferenciales que, basados en ellos, proporcionarán más exactitud en la posición, tendrán mejor integridad y darán cobertura en zonas más amplias que los sistemas diferenciales de cobertura local, como el DGPS marítimo, por lo que se les denomina de cobertura amplia.
En la segunda generación se incluyen los nuevos GPS y GLONASS, que mejorarán las prestaciones y servicios que hoy en día tienen y el proyecto europeo GALILEO, todos ellos con cobertura mundial.
Los sistemas de cobertura amplia son sistemas diferenciales de navegación por satélite que, mediante estaciones en tierra para el cálculo de las correcciones, las transmitirán al usuario con el apoyo de satélites de comunicaciones.
Se emplearán principalmente en la fase de navegación oceánica, mientras que en la fase de navegación costera o en aguas restringidas seguirán siendo básicos los de cobertura local.
Actualmente se están desarrollando en el mundo tres sistemas de este tipo:
EGNOS (European Geoestationary Navigation Overlay System) en Europa, WAAS (Wide&Area Augmentation System) en EE.UU. y MSAS (Multi-function Satellite-based Augmentation System) en Japón. Los dos últimos se destinarán únicamente al tráfico aéreo.
 Esquema de las zonas cubiertas con WAAS, EGNOS y MSAS |
SISTEMAS GPS Y DGPS
El sistema NAVSTAR-GPS, habitualmente denominado GPS, está basado en una constelación de 24 satélites, más 3 de repuesto, que giran alrededor de la tierra a 20.180km de altura, en seis órbitas prácticamente circulares inclinadas 55º respecto al eje de aquélla y con un período de rotación de 11 horas y 58 minutos
Está controlado continuamente, desde estaciones en tierra, por el Departamento de Defensa de EE.UU., de modo que la situación de los satélites es perfectamente conocida en cada momento y corregida cuando es necesario.
En cualquier lugar del mundo un usuario puede determinar su posición geográfica en tres dimensiones con gran exactitud durante las 24 horas del día, independientemente de las condiciones meteorológicas, mediante el cálculo de las distancias entre la antena del receptor y los satélites que tenga a la vista, por lo cual, en principio, con tres satélites es suficiente para obtener las coordenadas (x, y, z) ya que de los dos puntos teóricamente posibles uno es absurdo.
Sin embargo, como dicho cálculo se basa en la medición del tiempo que tarda en llegar al receptor la señal de cada satélite, las distancias así determinadas se ven afectadas por el error de sincronización entre el transmisor y el receptor, motivo por el que se denominan pseudodistancias.
La sincronización de los satélites entre sí se resuelve disponiendo en ellos relojes atómicos de gran precisión y coste elevado pero los de los receptores, de precio muy asequible, no son de tanta calidad, lo que da lugar al error mencionado.
Para eliminarlo se realiza la medición de la distancia a un cuarto satélite, que permite plantear y resolver un sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas: x, y, g y t.
Así pues, para que un usuario pueda determinar su posición en un instante dado es necesario que tenga sobre el horizonte un mínimo de cuatro satélites.
El GPS proporciona las coordenadas de la posición del usuario referidas al sistema WGS-84 (World Geodetic System 1984), la hora del sistema es casi igual a la UTC(Universal Time Coordinated) y el problema fundamental que presenta es su falta de integridad, lo que da lugar a que el conocimiento de un mal funcionamiento del sistema tarde en llegar varios minutos o incluso algunas horas.
Sus aplicaciones son muy numerosas y aumentan continuamente: posicionamiento y localización de móviles en tierra, mar y aire, topografía e hidrografía, obras civiles, agricultura, etc.
Los principales errores que se producen y que influyen en la exactitud final con que se puede determinar la posición a partir de la señal GPS son los derivados de:
- los relojes de los satélites y la desviación de la órbita, que han de solucionarse desde el control de tierra.
- la transmisión de las señales a través de la ionosfera, que se resuelven casi por completo teniendo en cuenta que la pérdida de velocidad de las ondas de radio a través de aquélla es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia empleada.
- la transmisión de las señales a través de la troposfera , casi imposibles de corregir.
- los ruidos de los receptores, que dependen de la calidad de éstos.
- el efecto multitrayectoria, ocasionado por las reflexiones sobre determinados obstáculos de las señales de los satélites antes de llegar al receptor, efecto que debe evitarse mediante los estudios apropiados.
- la incertidumbre geométrica , debida a la posición relativa de los satélites empleados para la determinación de la posición, que se minimiza mediante la selección de los satélites más adecuados en cada ocasión.
Con el fin de paliar los inconvenientes derivados de los errores enumerados en el sistema GPS y conseguir una exactitud e integridad mejoradas, se puso a punto el sistema diferencial denominado DGPS (Differential GPS).
Basado en las señales del GPS y con estaciones de referencia en tierra cuya posición es conocida, calcula y transmite las correcciones que los usuarios han de aplicar a los datos GPS para obtener una posición más exacta dentro de la zona cubierta por las emisoras.
El fundamento del sistema consiste en que la estación de referencia determina su posición a partir de las señales GPS y, comparándola con su posición conocida, calcula las diferencias o correcciones que deben aplicarse a los resultados obtenidos a partir de los satélites para que ambas posiciones coincidan.
Estas correcciones son las que se transmiten a los usuarios del sistema, cuyos equipos DGPS las introducen en sus cálculos para determinar la posición.
Esta forma de operar es válida si la estación de referencia y el usuario están a unos pocos centenares de kilómetros pues las señales GPS que llegan a ambos, dada la enorme distancia a la que se encuentran los satélites, habrán atravesado zonas del espacio con unas características prácticamente idénticas y así serán también los errores que contienen.
Por esta razón, las correcciones pueden aplicarse justificadamente en todo el radio de acción de los radiofaros marítimos (como máximo 200 millas náuticas) que son, como ya se ha dicho, los que transmiten a los barcos las correcciones calculadas por la estación de referencia.
Esta limitación en el alcance hace que a este tipo de sistema de posicionamiento se le llame de cobertura local o reducida.
Las ventajas del DGPS frente al GPS son una integridad del orden de pocos minutos y una exactitud en la posición mejor de l0m (2dRMS), que llega en muchos casos a 2 ó 3m para móviles y aún menos en situación estacionaria.
SISTEMA EGNOS
El sistema EGNOS carece de segmento espacial propio y, para comunicaciones, se apoya en dos satélites INMARSAT-III, uno estacionado sobre la parte oriental del Océano Atlántico y el otro sobre el Océano Índico, y en un futuro satélite ARTEMIS situado sobre África.
Su señal puede emplearse para posicionamiento en los tráficos aéreo, marítimo terrestre, a diferencia de los otros dos sistemas en desarrollo. Otra ventaja del EGNOS frente a éstos es que puede utilizar los datos tanto del GPS como del GLONASS.
El segmento de control estará constituido por 30 estaciones monitoras de la integridad del sistema o RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Station) que recibirán datos de los satélites GPS y GLONASS y los enviarán a uno de los 4 centros de control o MCC (Mission Control Centre), donde son procesados los datos, calculadas las correcciones que hayan de hacerse y controlada la totalidad del sistema.
También habrá 6 estaciones destinadas exclusivamente a la conexión permanente con los satélites o NLES (Navigatíon Land Earth Station), dos para cada uno de ellos y una más para pruebas y validación del conjunto.
En el segmento de usuarios debe destacarse que:
- la información sobre la posición será análoga a la del GPS y con un único receptor será posible recibir señales GPS, GLONASS y EGNOS.
- la exactitud en la posición se mejorará hasta estar por debajo de 7,7m sí sólo se dispone de señal GPS y de 4m si se reciben señales GPS y GLONASS.
- en caso de mal funcionamiento del sistema se emitirá una señal de alarma en menos de seis segundos desde que el fallo se haya producido.
- la disponibilidad y la continuidad serán mayores que con el GPS o el GLONASS debido a la situación de los satélites del EGNOS en órbitas a mayor altitud que la de las constelaciones de aquéllos.
- la información sobre la hora estará sincronizada con la UTC en unas condiciones de exactitud desconocidas hasta ahora.
El proyecto EGNOS estará plenamente operativo en el 2005.
SISTEMA GALILEO
La Unión Europea tiene previsto implantar, en un futuro no muy lejano, un nuevo sistema de navegación por satélite con cobertura mundial denominado GALILEO, similar a los GPS y GLONASS existentes, el cual, mediante su constelación propia, integrada por un mínimo de 20 satélites en órbitas a unos 20.000 km de altura, permitirá disponer de un sistema con tecnología y bajo control civil europeos.
En cuanto a prestaciones, proporcionará una exactitud entre 5 y l0 m con una integridad de la que carecen los actuales sistemas en uso. Los niveles de servicio serántres:
- Básico, libre de cargo, indicado para aplicaciones de tipo general.
- Acceso restringido, sujeto a pago, para usos comerciales y
- profesionales que necesiten mejores prestaciones y garantía del servicio.
- Acceso muy restringido , sujeto a pago, con prestaciones de alto nivel para usos que, por razones de seguridad, no deban sufrir interrupciones o interferencias.
El desarrollo de este sistema, actualmente, se encuentra en la fase de proyecto, dentro de la cual deberán definirse con precisión tanto sus características como las prestaciones que ofrecerá al usuario. El despliegue de los satélites está previsto para el 2008.
La Evolución de las ayudas a la navegación
Sistemas de Iluminación. Combustibles y Lámparas
Los combustibles utilizados en los faros han estado condicionados, básicamente, por su facilidad para obtenerlos y por los avances tecnológicos.
La leña y las velas fueron los primeros combustibles utilizados. El principal inconveniente de la leña era su transporte, y el de las velas, la escasa potencia. En ambos casos, se añadía la dificultad de su utilización en el norte de Europa, por causa de las condiciones climatológicas.
El siguiente paso fue el carbón, que se generalizó a partir del siglo XVI, un combustible más compacto y de mayor duración. Todavía era un problema el transporte, pero el alcance que se conseguía era considerable.
El desarrollo de la tecnología de los sistemas de ventilación para mejorar la combustión en linternas cerradas se realizó con faros alimentados por carbón.
Debido a los importantes avances tecnológicos en las lámparas de combustión de aceite durante el periodo 1780-1820, se generalizó la utilización de este combustible.
Cada país, en función de sus condiciones climatológicas y facilidad de suministro, utilizaba el tipo más adecuado a sus necesidades, pudiendo ser tanto vegetales como animales
La utilización del petróleo, a partir de mediados del siglo XIX, acaba con el aceite. Mucho más económico y de mayor potencia luminosa, los problemas derivados de su elevada inflamabilidad, y la cantidad de humo que desprendía, quedan rápidamente solucionados por avances tecnológicos y la utilización de aceites minerales específicos (parafina de Escocia, etc.).
Al principio se utilizaron las antiguas lámparas para aceite, pero con el paso del tiempo fueron apareciendo los mecheros Dotty, las lámparas de capillos incandescentes (lámpara Aladino) y las lámparas de incandescencia por vapor a presión. Todavía se utilizan algunas lámparas de petróleo en faros en los que el suministro eléctrico es dificultoso.
Los primeros intentos para utilizar gas en la iluminación de los faros datan de principios del siglo XIX, intentando utilizar los gases de la destilación de la madera, gas de carbón, gas de aceite, gas natural y gas de resina.
Los principales inconvenientes del gas eran la necesidad de fabricarlo, el transporte en recipientes herméticos a presión y su manipulación.
A finales del siglo XIX se ensaya con el acetileno, un gas con llama muy brillante, pero explosivo a altas presiones, inconveniente que se elimina disolviéndolo en acetona.
A principios del siglo XX, Dalen inventa el destellador, la válvula solar y la incandescencia de aplicación directa, con lo que la automatización de los faros ya es una realidad.
Primeras luces automáticas
La gran cantidad de faros que se instalaron en los fiordos del norte de Europa durante el siglo XIX suponían unos costes elevados para pagar al personal que se encargaba de encenderlos y apagarlos.
A finales de siglo se desarrollaron los primeros intentos de automatización con los faros de alumbrado permanente, y los sistemas de rotadores, que se aprovechaban de los gases de combustión para hacer girar un conjunto de cristales coloreados para dar distinta apariencia a la luz.
La automatización definitiva llegó con los inventos de Dalen, ya descritos.
La electricidad
El inicio de la electricidad en el alumbrado de los faros se remonta a mediados del siglo XIX, cuando empieza a experimentarse con generadores de vapor y máquinas electromagnéticas. La luz la proporcionaba un arco eléctrico entre dos carbones.
Los reguladores Serrin proporcionaban un ajuste fino de la distancia óptima entre carbones, que daban unos resultados de potencia luminosa desconocidos hasta entonces.
El primer faro eléctrico de los Estados Unidos estaba dotado de una lámpara de este tipo, y era la propia estatua de la Libertad.
Los rápidos progresos de la tecnología proporcionaban generadores más pequeños, fiables y económicos. El primer faro eléctrico de España fue el de Villano, encendido en 1886.
Por aquella época, se instalaron las primeras lámparas de incandescencia, que acabarían imponiéndose con el tiempo.
Dependiendo de las necesidades, hoy en día se utilizan lámparas de incandescencia; de haz sellado, que incorporan un reflector catóptrico; de cuarzo y de xenón, estas últimas con una intensidad luminosa casi 50 veces mayor que las lámparas de filamento.
La implantación de energías alternativas para la producción de la energía eléctrica se está desarrollando básicamente, en la energía fotovoltaica, y en menor medida, en la eólica.
Ayudas a la navegación. Señales sonoras y radioeléctricas
Señales sonoras
En los casos de mala visibilidad debido a niebla o lluvia, inutiliza las luces de los faros, cuando son más precisas. De ahí surgió la necesidad de las señales sonoras. Las primeras referencias son los míticos tritones musicales del Faro de Alejandría, y las trompetas del islote de Cordouan.
Durante el siglo XVIII empezaron a instalarse cañones y campanas. Estas últimas pronto pasaron a accionarse mecánicamente, utilizando el viento, el oleaje, o mecanismos de relojería.
Los primeros silbatos datan de mediados del siglo XIX, así como la utilización del aire comprimido. Los primeros experimentos se hicieron con caballos y máquinas de vapor, en la generación del aire, y con silbatos y trompetas, como elementos sonoros. Las sirenas llegaron en 1868.
A principios del siglo XX se desarrolló el diáfono, en el cual, el aire comprimido empuja un pistón perforado que se mueve dentro de una camisa, igualmente perforada. Al coincidir los agujeros de ambos elementos, el aire escapa produciendo un fuerte ruido.
Hoy en día, los vibradores electromagnéticos son las señales sonoras más utilizadas. El sonido se produce por la vibración de una lámina de hierro dulce situada en el campo magnético de un electroimán.
Otras señales sonoras utilizadas en España han sido los petardos y los cañones de acetileno.
Señales radioeléctricas
En un principio, se utilizaban como una ayuda mas en caso de niebla. Hoy en día se utilizan para situarse en el mar en cualquier tiempo, con gran exactitud, como ya se ha descrito anteriormente.
Durante los años 1920 se instalaron en España diversos radiofaros de chispa y ondas amortiguadas, basados en los descubrimientos de Marconi.
Después de los radiofaros llegaron en aluvión las técnicas modernas. Radar, sistemas hiperbólicos y navegación por satélite son ya complementos insustituibles.
Sistemas ópticos y formas de identificación
En el inicio del desarrollo de los faros se planteaba el problema del máximo aprovechamiento de la escasa radiación emitida por las rudimentarias lámparas, y, posteriormente, con el aumento del número de luces, surgió la necesidad de diferenciarlas convenientemente.
Los reflectores
La primera idea de disponer un reflector detrás de la llama data del siglo XVI. En el siglo XVIII se experimenta con reflectores parabólicos. El problema del reducido ángulo de visión se soluciona con la primera luz giratoria, instalada en Suecia en 1781.
Durante el siglo se evoluciona la técnica, adaptando los nuevos combustibles a los espejos. A principios del siglo XIX se inventa el fanal sideral de doble efecto que, mediante un paraboloide continuo, permite iluminar los 360º del horizonte.
En un reflector, la fuente de luz se sitúa en el foco de la parábola, que se refleja formando un haz paralelo. El movimiento de la llama actúa de forma positiva, provocando una pequeña dispersión en el haz, que permite apreciar el destello con mayor facilidad.
Las Lentes
La aplicación de lentes para refractar y concentrar los rayos de las fuentes luminosas de la misma forma en que lo hacían los reflectores empezó a investigarse a mediados del siglo XVIII, pero el humo de las lámparas y la gran absorción de las gruesas lentes, hicieron olvidar el tema.
En 1819, Fresnel presenta sus aparatos lenticulares, en los que se utiliza la lente escalonada (dioptrio), y que son los más extendidos en todo el mundo en la actualidad.
Los primeros aparatos eran giratorios, formados por cierto número de lentes colocadas como los lados de un polígono regular, para distribuir la luz situada en el foco en igual número de haces.
En la parte superior se disponían prismas anulares de cristal que, combinando refracción y reflexión (catadióptrica), generaban un nuevo haz, y reforzaban el de la parte inferior. Todo el aparato giraba sobre un pequeño carro circular, impulsado por una maquinaria de relojería, dando apariencias de destellos y ocultaciones que se sucedían en intervalos de uno o más minutos.
La clasificación actual de los faros se basa en tres tipos: faros, balizas y luces de puerto, sin embargo, la clasificación en función del orden se suele dar todavía. En ella, las lentes son clasificadas en seis órdenes según la distancia que existe de la llama, o foco de luz, al conjunto de lentes.
Muchos de estos sistemas de lentes has sido eliminados de los faros y colocados en museos o en otros lugares de visita pública.
Los seis órdenes de clasificación de los faros no sólo atienden a características constructivas del sistema de lentes, sino a todo el faro en general y a su uso.
En la tabla siguiente se mencionan cada uno de los tipos y características asociadas.
| Tipo | Altura de lentes | Distancia útil (millas) | Distancia Focal | Tipo general de uso |
| 1º | – | 20 | – | Recaladas avisando de la proximidad a tierra |
| 2º | 81.46″-206.9 mm | 18 | 27.6″-70.10 mm | Ayudan a marcar cabos, bahías, arrecifes, disminución de la profundidad |
| 3º | 62.05″-57.61mm | 15 | 19.7″-50.04mm | Localizan grandes bahías, desembocaduras de ríos, canales, grandes lagos |
| 4º | 28.43″-72.21mm | 10 | 9.8″-24.89mm | Dirección de entradas a puertos y bahías |
| 5º | 21.3″-54.10mm | 9 | 7.4″-18.80mm | Recaladas avisando de la proximidad a tierra |
| 6º | 17.05”- 43.31 mm | 5 | 5.9″-14.99 mm | Lagos y puertos |
| Tipo 1 | Tipo 2 | Tipo 3 | Tipo 4 | Tipo 5 | Tipo 6 |
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La identificación
Los primeros intentos de identificación datan del siglo XVI, cuando se situaban dos o más luces juntas, ya fuera en diferentes torres, o en una misma torre, a diferentes alturas. Era un sistema caro y poco práctico.
En el siglo XVIII se desarrollaron métodos de oscilación horizontal de las luces, y pantallas giratorias para producir ocultaciones.
El invento de Fresnel daba una apariencia de luz fija variada por destellos. Posteriormente añadió los colores, utilizando exclusivamente rojo y verde.
Estas apariencias presentaban grandes problemas, pues necesitaban de bastante tiempo para ser reconocidas, dado el largo intervalo entre destello y destello (1 a 4 minutos).
Además, al tener distinto alcance los destellos y la luz fija, variaba la percepción de la característica con la distancia del observador al faro.
La invención del sistema de suspensión de los aparatos ópticos sobre flotador de mercurio permitió aumentar dramáticamente la velocidad de rotación, pudiendo dar una vuelta completa de la óptica en 5 segundos.
Con esta velocidad, se pudo llegar a adoptar una sola lente de 180º, apoyada con un reflector del mismo ángulo, que originaba un único y potente haz de luz.
Se dispuso que la duración mínima del destello fuera de 1/3 de segundo, y que las apariencias se basaran en la agrupación de destellos y el intervalo de apariciones. Contando el número de destellos, y su agrupación, podría identificarse el faro.
Las torres de los faros
La altura de las torres de los faros se calcula en función de la altura del terreno donde están situadas, y el alcance necesario para la luz. Al considerar la estabilidad de la torre, deben tenerse en cuenta la fuerza del viento y, en ocasiones, el empuje de las olas.
Las formas más habituales, por su resistencia, son las de fuste troncopiramidal de varias caras, cilíndricas y troncocónicas, modeladas por los criterios de utilización y la estética.
Una torre bien calculada debe aceptar ciertos movimientos de oscilación en condiciones meteorológicas adversas, ya que esta flexibilidad ayuda a amortiguar la violencia de los choques, y la
estructura corre menos riesgo de quedar inutilizada.
En los faros de roca, sometidos permanentemente al empuje violento de las olas, el peso de la torre adquiere mayor importancia que la resistencia.
La forma habitual de estas torres es de sección circular, con diámetro decreciendo asintóticamente con la altura de la torre. El interior de la torre debe albergar todas las dependencias del faro.
Los materiales utilizados para construir las torres han sido preferentemente la mampostería, la piedra de sillería y el hierro, hasta que se difundió el empleo del hormigón armado, que prácticamente lo ha monopolizado.
Este material ha permitido que la construcción de un faro hoy en día sea económica, rápida y estandarizable, lo que ha provocado una aburrida uniformidad en los faros construidos en las últimas décadas. En los últimos años se está tendiendo a dar a los nuevos faros características que les doten de cierta personalidad.
Linternas
Son el elemento protector de la luz. Su tamaño viene determinado por las dimensiones necesarias para albergar el sistema óptico, la lámpara, y poder realizar tareas de mantenimiento en el caso de linternas visitables. En los faros de leña y carbón, si había linterna, consistía en una cúpula soportada por apoyos verticales.
Las lámparas de aceite estaban recubiertos por cristales de baja calidad apoyados en una maraña de montantes que oscurecían inevitablemente la luz. El problema de la calidad del cristal desapareció durante el siglo XVIII.
A mediados del siglo XIX, las linternas eran poligonales o cilíndricas, con montantes verticales.
El número de lados de las poligonales eran los mismos que los de las ópticas que albergaban, pero que al tener cristales planos, creaban reflexiones y destellos parásitos, y los montantes verticales creaban zonas de sombra, fraccionando el destello.
Las linternas cilíndricas y los montantes helicoidales, aunque más caros, solucionaban estos problemas.
Las cúpulas eran de cobre y terminaban en una pieza esférica perforada para dar ventilación interior, y una chimenea evacuaba los humos. El conjunto se apoyaba en un basamento con respiradores, y el conjunto sobre el torreón del faro.
Con el desarrollo de sistemas de iluminación más potentes, se redujo considerablemente el tamaño de las linternas, y se introdujo la cúpula transparente, para permitir la emisión de un haz vertical para orientar a la navegación aérea.
Los materiales más utilizados han sido el bronce o hierro fundido para los montantes, cobre para la cúpula y palastro o hierro fundido para el basamento. Hoy en día, en España, se utiliza el hierro fundido y laminado con una protección galvanizada.
Nombres Famosos
Todo lo anteriormente expuesto no hubiera sido posible sin los hombres que, a través de la historia, han dedicado su vida para mejorar y aumentar la seguridad del navegante.
Muchas vidas se han salvado con sus esfuerzos y por los logros conseguidos; entre ellos hay inventores, ingenieros, constructores, simples aficionados y, en un importante porcentaje, los propios encargados del funcionamiento diario de las señales marítimas.
Permanentemente todos ellos reciben el agradecimiento inconsciente del marino cuando, azotado su barco por los temporales, navegando en peligrosos canales o atravesando espesos bancos de niebla, localizan la brillante luz del faro, el sonido de las sirenas o las señales radioeléctricas que le orientan indicándole el camino para una feliz travesía.
Todos tienen el denominador común indicado. Fresnel con sus sistemas ópticos, Arago o Argand con sus trabajos, Smeaton y Stevenson por sus construcciones, Gustaf Dalen con la automatización, han contribuido para evitar posibles naufragios.
Gracias a ellos, gran parte de las miles de horas de soledad, peligro y privaciones de la vida de los torreros, hoy no son necesarias.
En España, por ejemplo, la mayoría de las islas, islotes y arrecifes aislados no tienen personal de forma permanente desde hace ya muchos años. Columbretes, Alborán, Tagomago, Dragonera, …
Una de las mayores dificultades que les surgía a los diseñadores de sistemas luminosos para faros, en los comienzos del siglo XIX, consistía en cómo aprovechar la máxima cantidad de luz procedente de la débil llama producida por la combustión de los aceites utilizados en las lámparas de entonces.
Los intentos de aumentar su potencia colocando varias de ellas a la vez, concentrando sus haces por medio de reflectores parabólicos, eran unas soluciones de principio para paliar el asunto.
Para resolverlo, Francia e Inglaterra que eran, por aquel entonces, las naciones más adelantadas en este campo, habían dedicado grandes esfuerzos y habían ensayado ya en 1753, la aplicación de lentes ópticas.
Augustin Jean Fresnel
El 10 de marzo de 1788 nacía en Brogley, cerca de Bernay. Sus primeros años de vida no indicaron nada relevante sobre sus genialidades futuras. De delicada constitución, ni siquiera sabía leer a los 8 años, aunque sí había dado muestras de interés por las ciencias experimentales.
Esta inclinación animaría a sus padres a enviarlo a la Escuela Politécnica donde finalmente acabaría la carrera de Ingeniero de Canales y Puertos.
Dedicado desde el primer momento a las investigaciones ópticas, pronto fue contratado como secretario de Arago, presidente de la Comisión Francesa de Faros.
En 1819 recibe un premio de la Real Academia de las Ciencias por un trabajo sobre la difracción de la luz y en este mismo año presenta la primera lente escalonada de aplicación directa en los faros.
El 1 de junio de 1824 fue nombrado Ingeniero Jefe del Servicio Central de Faros y Balizas, cargo que conservaría hasta que una enfermedad orgánica le ocasiona la muerte, ocurrida el 14 de julio de 1827, cuando contaba solamente 39 años de edad.
Autor de numerosos descubrimientos relacionados con las aplicaciones ópticas para mejorar los faros, tiene en su haber entre otros: los aparatos de luz fija, los de luz fija variada por destellos, los anillos catadióptricos y las propias lentes escalonadas, desarrollados y puestos en práctica todos ellos en un corto período de tiempo.
De sus obras escritas sólo publicó una, terminada cinco años antes de su muerte, Memorias sobre un nuevo sistema de iluminación para los faros, presentada por vez primera el 28 de julio de 1822 ante la Academia de las Ciencias.
En esta memoria expuso sus hallazgos sobre las lentes escalonadas, sus experiencias sobre las lámparas de mechas múltiples y su proyecto de faro giratorio lenticular para el faro de Cordouan.
Las lentes de Fresnel
Los intentos de aumentar la potencia lumínica y reflectora, a pesar de los impulsos posteriores que en los años siguientes le darían las mejoras de Buffon, Condorcet y Sir David Brewster, son poco a poco sustituidos por la idea del uso de lentes.
De forma independiente a estos trabajos, Augustin Fresnel llega a las mismas conclusiones construyendo, en 1819, la primera lente escalonada que demostró una considerable mejoría sobre el sistema de reflectores.
El problema que se planteaba era el de cómo refractar en líneas paralelas los rayos enviados por un foco luminoso.
Las lentes plano-convexas eran idóneas para este propósito si no tuviesen el inconveniente de una aberración esférica que aumentaba con el tamaño. Este, por otra parte, estaba sujeto a las dimensiones puntuales del manantial luminoso, lo que suponía, además, grandes y pesados volúmenes de vidrio.
La solución descubierta por el científico fue la de aplicar lentes escalonadas alrededor de otra central, formando un conjunto único que suprimía la aberración y la mayor parte del volumen indeseado.
La primera óptica construida de esta manera se instaló en el faro de Cordouan después del satisfactorio experimento efectuado en la noche del 20 de agosto de 1822 sobre el Arco del Triunfo, en el que una Comisión Especial juzgó el efecto producido desde Notre‑Dame de Montmélian.
Gustaf Dalen
Nacido el 30 de noviembre de 1869 en una pequeña granja del pueblo de Stenstorp, al oeste de Suecia, fue el tercer hijo de una familia de cinco hermanos y el único de ellos que, por su sentido práctico se quedó en la granja mientras los otros iban a la escuela.
Aficionado a la mecánica y a los aparatos, se pasaba el tiempo desarrollando artilugios que mejorasen las condiciones de vida de la casa.
Se incorpora en 1892 al Instituto de Tecnología Chalmers, de la ciudad de Gotemburgo. Cuatro años más tarde completaba sus estudios en la Escuela Politécnica de Zurich, considerada entonces como una de las más famosas del mundo.
Finalizada su carrera, pronto se establece en Estocolmo dedicándose a una gran variedad de proyectos. Turbinas de aire caliente, sistemas de iluminación y un dispositivo para ordeñar fueron algunos de ellos.
En 1904, participa en la recientemente creada sociedad llamada Svenska Aktiebolaget Gasaccumulator, hoy conocida como AGA. Afectado por un cáncer incurable, falleció el 9 de diciembre de 1937.
El destellador de gas acetileno
Las continuas dificultades encontradas para el mantenimiento de los faros y balizas situados en lugares aislados y expuestos a las olas y temporales y la penosa vida de los torreros allí destinados, había impulsado la investigación del gobierno sueco para conseguir un sistema autónomo que las aliviase.
Entre otros combustibles, se había experimentado el gas acetileno, de manipulación muy peligrosa y de llama muy brillante, pero fácil de obtener a partir del carburo de calcio.
En 1901, había ya una baliza luminosa que solamente necesitaba atención una vez cada 10 días pero aún así resultaba insuficiente. La llama era fija, y por lo tanto, poco apropiada para distinguirla y además el consumo de gas era muy elevado.
El ingeniero jefe de la Cámara Sueca de Faros, John Hóiger, planteó el problema a Dalen quien se comprometió a estudiarlo. Seis meses después se instalaba en una boya el primer destellador de gas acetileno, con un consumo diez veces inferior al de una luz fija de la misma potencia.
Durante todo el invierno de 1905 a 1906, la boya había funcionado con un solo acumulador de acetileno y la fama del destellador se extendió rápidamente.
La válvula solar
No contento con esta solución, el inventor se planteó la forma de disminuir aún más el consumo. Lógicamente, el único camino para ello estaba en conseguir que el destellador se encendiese únicamente durante la noche, eliminando el innecesario funcionamiento diurno.
Se dedicó a observar el sol, dándose cuenta de cómo los objetos oscuros absorbían mayor energía y se calentaban más que los claros y brillantes.
Este principio, unido al de que la dilatación de los objetos es proporcional a su temperatura, le dio la respuesta para el desarrollo de una válvula solar que cerraba el paso del gas durante el día, conservando solamente una pequeña llama de iniciación y solventando así la cuestión. La solución era tan sencilla e ingeniosa, que la gente no se creyó que pudiera funcionar.
La Oficina Alemana de Patentes se negó rotundamente a registrarla hasta que no pudo demostrar personalmente que el invento funcionaba. Cuentan que el genial Edison rechazó también la noticia con un escéptico «no funcionará», que mantuvo incluso después de que se hubieran instalado en algunos faros.
Ya sólo quedaba un único factor que resolver, la manipulación del gas acetileno. Durante unos experimentos se produce una tremenda explosión y una masa de fuego cubre al inventor.
Dalen, el hombre que había dedicado su vida para dar luz al navegante, se había quedado ciego.
Pocas semanas después, la Real Academia de las Ciencias le concede el premio Nobel de Física por «su invento de mecanismos automáticos que, en combinación con acumuladores de gas, se utilizan para la iluminación en faros y boyas». La desesperada reacción del premiado fue exclamar: «¡Qué podrán esperar de un ciego!»
A él se le debe también el sistema de cambio automático de los capillos y la iniciativa del proyecto para fabricar los primeros radiofaros.
Hoy día, después de tantos años, la moderna tecnología ha encontrado caminos diferentes para competir con sus inventos.
La energía solar y la fuerza del viento han reemplazado los aparatos Dalen en casi todas las instalaciones.
Fuentes: Puertos del Estado y CD Multimedia Faros de España del Ministerio de Fomento.
_!Tipo;Altura de lentes;Distancia útil (millas);Distancia Focal;
Tipo general de uso
1º;-;20;-;Recaladas avisando de la proximidad a tierra
2º;81.46″-206.9 mm;18;27.6″-70.10 mm;Ayudan a marcar cabos, bahías, arrecifes, disminución de la profundidad
3º;62.05″-57.61mm;15;19.7″-50.04mm;Localizan grandes bahías, desembocaduras de ríos, canales, grandes lagos
4º;28.43″-72.21mm;10;9.8″-24.89mm;Dirección de entradas a puertos y bahías
5º;21.3″-54.10mm;9;7.4″-18.80mm;Recaladas avisando de la proximidad a tierra
6º;17.05”- 43.31 mm;5;5.9″-14.99 mm;Lagos y puertos
Tipo 1;Tipo 2;Tipo 3;Tipo 4;Tipo 5;Tipo 6
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