Journal I3 nº6

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Journal de Investigaciรณn en Pregrado

Nยบ6



Journal de Investigación en Pregrado

Nº 6 | Mayo 2016

Contenidos

Editores Jefes / Editor-in-Chief Carlos Bonilla César Sáez

02

Editorial

03

Ícaro

Comité Honorario / Honorary Comitee Rodrigo Cádiz Leandro Herrera Ricardo Hurtubia Amador Guzmán Ignacio Lira Domingo Mery María Molinos José Francisco Muñoz

06

Investigación en pregrado

10

Oportunidades de investigación

18

Interdisciplina

24

El descubrimiento por placer

29

Innovación en sus inicios

Equipo Editorial / Editorial Team Alejandra Chaparro Cristina Contreras David Fuller Carlos Galarce Vicente Gardulski Romina López Constanza Ljubetic Ignacio Madrid Juan Pablo Silva Matías Zanforlin

34

Investigación con impacto social

39

Proyectos de la Escuela

52

Utilización de sílice para mejorar el rendimiento de celdas de combustión microbiana en suelos

Coordinador Editorial / Editorial Coordinator Rocío Céspedes

62

Evaluación preliminar del recurso energético disponible en el canal de Chacao

Editor Adjunto / Associate Editor María José Cortés Francisco Pizarro

76

Segregación socio-espacial y movilidad urbana en el Gran Santiago urbano

96

Simulaciones de dinámica molecular para una mezcla de ácido benzoico en agua: Relación entre posiciones interatómicas y solubilidad

Diseño y Diagramación / Design and Layout Andrea Saavedra Traducción / Translation English UC

INVESTIGACIONES DE LOS ALUMNOS

108 Primeros pasos en la compilación de procesadores modulares de audio en tiempo real en Antescofo 121 Determinación de parámetros hidráulicos de cubiertas vegetales a través de experimentos de drenaje y simulación inversa con Hydrus 1D

“Las opiniones vertidas en los artículos no representan el pensamiento de la Pontificia Universidad Católica de Chile y son responsabilidad exclusiva de sus autores”. © Permitida la reproducción citando fuente y autor.


02 / Editorial

Y

a completo este nuevo número del Journal I3: Investigación, Interdisciplina e Innovación, no dejo de sorprenderme con el tremendo entusiasmo de alumnos y profesores que intentan transmitir la relevancia de la investigación en pregrado. Son justamente ellos, nuestros ahora alumnos, los que nos sucederán en algún momento, más tarde o más temprano, para seguir avanzando en este proceso infinito de crecimiento del ser. Ciertamente, los resultados preliminares de investigaciones con alumnos -publicados en este nuevo número- nos permitirán adentrarnos cada vez un poco más en las incontables áreas del conocimiento en las que aporta sistemáticamente nuestra querida Escuela de Ingeniería y nuestra Universidad. Nos permitirán seguir avanzando en el desarrollo de habilidades diversas en trabajos cada vez más multidisciplinarios y nos permitirán seguir difundiendo esta riqueza ahora de manera bilingüe, incluyendo una nueva publicación que incluye adicionalmente los trabajos presentados en idioma inglés. Bajo el marco de Ingeniería 2030 y con el apoyo de un grupo humano extraordinario de alumnos, profesores y funcionarios, nace esta nueva edición con miras a seguir evolucionando y desarrollándose. En efecto, a partir de este año contaremos con dos publicaciones anuales, con una nueva versión electrónica y con nuevos e interesantes aportes tanto científicos como periodísticos. Su expansión inevitable a otras facultades y Universidades se realizará de manera progresiva para convertirnos en un polo de difusión de la investigación en pregrado tanto a nivel nacional como internacional. Hemos sido llamados a descubrir la verdad, a abordar problemas complejos en un mundo pleno de necesidades, a innovar en un instante donde el ser humano parece perderse en un mar de interrogantes. Hemos sido llamados a aportar a una sociedad sedienta de luz y oportunidades, a crear bajo el halo del trabajo y el conocimiento, esperanza para un futuro.

Con la mirada en el 2030 With 2030 on the horizon

O

nce finished this current edition of our Journal I3: Investigation, Interdiscipline and Innovation, I cannot cease to be surprised by the great enthusiasm of students and professors trying to spread the importance of undergraduate research. It is precisely them, our current students, who will carry on, sooner or later, pushing forward the limits in this infinite process of growth of the human being. The student’s preliminary research results - published in this new volume - will certainly allow us to deepen a bit more each time in the innumerable fields of knowledge to which our beloved Engineering School and our University contribute. These efforts will allow us to continue advancing in the development of different skills in tasks increasingly more multidisciplinary, as well as to continue spreading this wealth now in other languages, including this new publication with works presented in English and Spanish. Under the national framework of Engineering 2030 and with the support of an extraordinary group of students, professors, and staff, this new edition is born, expecting to continue to evolve and develop. In fact, starting this year we will have two annual publications, including a new online version, with new and interesting scientific and journalistic contributions. Its inevitable expansion to other departments and universities will take place progressively, converting our Journal into an outreach center of undergraduate research at both national and international level. We have been called to uncover the truth, to face and resolve complex problems in a world full of needs, to innovate in an instance where human beings seem to be lost in a sea of questions. We have been called to contribute to a society thirsty for light and opportunity, and to create, under the halo of work and knowledge, hope for a future. We are fortunate, dear students, to have the opportunity to be able to contribute, in areas so diverse, to humanity, our destiny, and our transcendence.

Somos afortunados, queridos alumnos, al tener la oportunidad de poder contribuir en ámbitos tan diversos a nuestra humanidad, a nuestro destino y a nuestra trascendencia. César Sáez Editor Jefe


Ícaro / 03

K.R. Sridhar es el fundador y C.E.O de Bloom Energy, trabajo que comenzó a desarrollar mientras trabajaba para la NASA. K. R. Sridhar is the founder and C.E.O of Bloom Energy, work that he began developing while working for NASA.

Bloom Energy: energía para el futuro Bloom Energy: energy for the future Este invento innovador consiste en una pila de combustible sólida que tiene la capacidad de usar combustibles como hidrocarburos líquidos o gaseosos para poder generar energía en forma de electricidad.

This innovative invention consists of a solid fuel cell that is able to use fuels, such as liquid or gaseous hydrocarbons, to generate electrical energy.

Por Alejandra Chaparro

By Alejandra Chaparro

¿CÓMO FUNCIONA? Una pila de combustible posee tres partes: un electrolito, un ánodo y un cátodo. En este caso el electrolito está hecho de un tipo de cerámico sólido mientras que el ánodo y el cátodo poseen una pintura especial.

HOW DOES IT WORK? A fuel cell is made of three parts: an electrolyte, an anode, and a cathode. In this case, the electrolyte is made of a type of solid ceramic, whereas the anode and cathode possess a special coating.

En palabras simple, el proceso consiste en convertir combustible y aire en electricidad; sin embargo, en el proceso no está incluida la combustión. El aire se calienta a alta temperatura y entra por el cátodo. El vapor generado se combina con el combustible y se logra un carburante reformado. Este entra al proceso por el lado del ánodo y comienza a extraer los iones de oxígeno del cátodo. Cuando los elementos se mezclan, se produce electricidad, calor, agua en forma de vapor y una pequeña cantidad de CO2. Lo bueno y óptimo del proceso es que el calor que se produce

In simple words, the process consists in turning fuel and air into electricity; nevertheless, combustion is not included in the process. Air gets heated up to a high temperature and enters through the cathode. The generated vapour is combined with the fuel to create a reformed fuel. This gets involved in the process by the anode’s side and begins to extract the oxygen ions from the cathode. When the elements get mixed, electricity, heat, water in the form of vapour and a small quantity of CO 2 are produced. What’s great of the process is that the heat produced is used to


04 / Ícaro

se usa para calentar el cátodo, atraer oxígeno y producir vapor. De esta manera se lleva a cabo un proceso cíclico en la pila de combustible.

warm up the cathode, attract oxygen, and produce vapour. In this way, there is a cyclical process in the fuel cell.

¿QUIÉN Y CÓMO LO CREÓ? Bloom energy fue creada por K. R. Sridhar mientras trabajaba en el Laboratorio de Tecnologías Espacial, el cual en ese momento desarrollaba una investigación para la NASA. Dicha investigación buscaba encontrar una forma de sostener vida en Marte. De esta manera se fabricó un dispositivo que a partir de agua y luz solar lograba producir oxígeno e hidrógeno. El artefacto debía ser enviado junto a un topógrafo en la misión Mars Surveyor 2001 Lander, pero la misión fue cancelada. Con esto el artefacto perdió todo el valor científico para el que había sido creado. Sin embargo, la comisión de desarrollo del dispositivo no se dio por vencida y trabajó para invertir el proceso de funcionamiento, es decir, buscaban que por medio de la utilización de oxígeno e hidrógeno se pudiese generar energía.

WHO INVENTED IT AND HOW? Bloom energy was created by K. R. Sridhar while he was working at the Space Technologies Laboratory, which was developing an investigation for the NASA at that time. This investigation was looking for a way to make life on Mars sustainable. This is how a device that could make oxygen and hydrogen from water and sunlight was born. The mechanism was meant to be sent to Mars together with a topographer in the Surveyor 2001 Lander mission, but the mission was cancelled. With this event, the mechanism lost all the scientific value for which it had been created. However, the device development commission didn’t give up, and worked to turn around the functioning process, this is to say, they were trying to generate energy through the use of oxygen and hydrogen.

Sridhar se convirtió en el co-fundador de Ion America y más tarde se creó Bloom Energy. Esta es la empresa encargada de producir la pila de combustible eficiente y ecológica conocida como Bloom Box o Bloom Energy Server. Actualmente se usa gas natural y oxígeno atmosférico como combustible. Estos son bombardeados por un montón de células logrando así producir electricidad. Teóricamente cualquier otro combustible gaseoso podría servir para el proceso.

Sridhar became the co-founder of Ion America, and Bloom Energy was created later on. This is the company in charge of producing the efficient and eco-friendly fuel cell known as Bloom Box or Bloom Energy Server. Nowadays, natural gas and atmospheric oxygen are used as fuel. These are bombarded with a bunch of cells, thus producing electricity. Theoretically, any other gaseous fuel could be used in the process.

¿QUIÉNES USAN BLOOM BOX? Actualmente empresas como Sistemas de Adobe, Ebay, Google, FedEx, Wal-Mart, Staples, AT&T, CocaCola, Bank of America, Life Technologies, Safeway y Yahoo han arrendado cajas de alta capacidad. Además de su uso típico para servidores, se estima que en un periodo de 10 años los hogares también pudiesen usar este tipo de tecnología para abastecerse de electricidad.

WHO USES THE BLOOM BOX? Companies such as Adobe Systems, Ebay, Google, FedEx, Wal-Mart, Staples, AT&T, Coca Cola, Bank of America, Life Technologies, Safeway, and Yahoo have already rented high capacity boxes. Besides its traditional use for servers, it is estimated that houses will be able to provide themselves with energy using this kind of technology in a period of 10 years.

COSTOS DEL SISTEMA

SYSTEM COSTS

El costo de una celda destinada para el uso en casa es de 3.000 dólares, pero tal y como anunció Bloom Energy, se pude realizar la venta de energía con contratos a 10 años y con esto no se tendría que incurrir en el costo de tener instalada la pila en el lugar de consumo. Esto quiere decir que el sistema funcionaría por medio de una red que llevaría la energía al hogar, sin la necesidad de tener la fuente generadora in situ. Por otro lado, en 2010 Sridhar afirmó que los dispositivos son capaces de

The cost of a cell destined to be used in a house is 3,000 US dollars, but as Bloom Energy has announced, energy can be sold in contracts of 10 years each, so there will be no need to pay the costs of having a cell installed in the place. This is to say, the system would work through a net that would take the energy to each house, without the need of having a generating source in situ. On the other hand, in 2001 Sridhar declared that the devices are capable of generating electricity at 0,08 or 0,1 dollars per kWh by using natural gas


Ícaro / 05

Unidades energéticas de Bloom Energy. Bloom Energy servers.

generar electricidad a 0,08 a 0,1 dólar el kWh usando gas natural como combustible. Ese mismo año el valor de la electricidad en California era de 0,14 dólares el kWh. Así, se puede afirmar que el servicio ofrecido a las viviendas es conveniente si se considera que no es necesario hacer una inversión para la instalación.

as fuel. That same year, the value of electricity in California was 0,14 dollars per kWh. Thus, one can say that the service offered to the homes is convenient if the fact that there is no need to invest in the installation of the device is considered.

NUEVA FORMA DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA

A NEW WAY OF OBTAINING ENERGY

Bloom Energy sin lugar a dudas es una creación que ha revolucionado la forma de obtener energía. Si bien en un comienzo este dispositivo tenía un propósito totalmente diferente, gracias a las circunstancias se logró descubrir un uso que definitivamente es un aporte importante al desarrollo de las tecnologías de obtención de energía. La idea inicial y motivo de creación de esta pila sonaba realmente futurista, aun así el inventó logro obtener un uso mundial que contribuye al desarrollo de la humanidad y al cuidado del medio ambiente.

Bloom Energy is undoubtedly a creation that has revolutionized the way of obtaining energy. Although this mechanism had a totally different purpose at the beginning, given the circumstances, we discovered a use that is definitely a great contribution to the development of energy production technologies. The first idea and motive for the creation of this cell sounded quite futuristic, but eventually the invention got a worldwide use that contributes to the growth of humanity and protects the environment.


06 / Investigación en pregrado

La investigación: una gran herramienta para aprender Research: a great tool for learning

El programa IPre busca promover y facilitar el desarrollo de actividades de investigación. The IPre program seeks to promote and facilitate the development of research activities.

Rosario Contesse y Mariana Valle, consejeras académicas de pregrado en 2015 y 2013, respectivamente, aclaran las incertidumbres que tienen los alumnos de pregrado al momento de incursionar en investigación.

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Por Matías Zanforlin

a consejería académica juega un doble rol, el de guiar y aconsejar a los alumnos y el de llevar sus inquietudes a instancias superiores, ya sean profesores o instituciones de la misma Escuela. Mariana Valle y Rosario Contesse trabajaron en la consejería académica en 2013 y 2015, respectivamente. Durante el año de trabajo les tocó abarcar una gran cantidad de temas, entre ellos muchas inquietudes de los alumnos sobre cómo compatibilizar las clases y la investigación.

Rosario Contesse and Mariana Valle, undergraduate academic advisors in 2015 and 2013 respectively, clarify doubts that undergraduate students have when they start doing research. By Matías Zanforlinof GP

T

he Academic Advising department plays a double role: they guide and advise students, and they take students concerns to higher levels, whether it is professors or institutions of the School itself. Mariana Valle and Rosario Contesse worked on the Academic Advising department in 2013 and 2015, respectively. During their year of work, they covered a lot of topics, including many concerns from the students about how to balance classes and research.


Investigación en pregrado / 07

Mariana Valle (izquierda) y Rosario Contesse (derecha) comentan las ventajas del programa IPre. Mariana Valle (left) and Rosario Contesse (right) comment on the advantages of IPre courses.

Ambas señalan que por parte de la consejería se hace difusión de todo lo que llega respecto a temas de investigación. También comentan estar contantemente tratando de mostrarles a los alumnos las opciones que tienen, para que ellos mismos elijan aquéllas que más les agraden. Este año [2015] se realizó por primera vez la semana de la investigación, donde se dieron a conocer todas las opciones existentes para investigar en pregrado, una instancia donde participaron alumnos y profesores. La motivación por parte de la Escuela es efectivamente que los alumnos participen en investigación y ojalá lo antes posible, ojalá en pregrado. Mariana señala que “muchos alumnos creen que no pueden investigar porque no saben, porque no se consideran capaces, ven la investigación quizás como una cosa más lejana y en realidad no es así, es algo que está hecho para todos, que está hecho para aprender. Mucha gente no se atreve a investigar y la verdad es que se aprende mucho. Al terminar una instancia de investigación, efectivamente se hacen más parte de la Escuela y más cercanos a los profesores. La verdad es que el investigar es algo que todo estudiante debería hacer al menos una vez en la vida”. Otra de las inquietudes de los alumnos acerca del IPre, parece ser el compatibilizarlos con su carga académica tradicional. Esto sucede porque muchas veces los alumnos no manejan exactamente en qué espacios pueden colocar un IPre. En el currículum antiguo, los IPre contaban como OPR 2000, ahora para la

They point out that, as academic advisers, they communicate everything that they get regarding research topics. They also mention that they are constantly trying to show students what options they have, so they can choose the ones they like best. The Research Week was held this year [2015] for the first time, where all the options for undergraduate research were shown. In this instance, students and teachers participated. The objective of the School is precisely to make students participate in research as soon as possible, during their undergraduate studies. Mariana states that “many students believe that they can’t do research, because they don’t know, because they don’t think they’re capable, because they see research maybe as something distant, and it’s not that way at all. It is something made for everyone, something you do to learn. A lot of people don’t dare to research, and the truth is that you learn a lot. Once an instance of research is over, students really become part of the School and get closer to teachers. The truth is that research is something that every student should do at least once in his or her life”. Another of the student’s concerns, related to IPre courses, seems to be how to coordinate them with their regular academic load. This happens because, in many cases, the students don’t know exactly when to take an IPre. In the old curriculum, the IPre courses counted as OPR 2000 course (specific elective), but now for the 2013 curriculum they count as OPI (engineering elective), so the number of spaces


08 / Investigación en pregrado

malla 2013 cuentan como OPI, por lo que la cantidad de espacios que tienen para hacer investigación depende de cómo eligieron su major y su minor y eso al final les da la cantidad de OPI que deben tomar, ya no es como antes que era un número fijo. Sobre la relación entre un IPre y otros cursos de la Escuela Mariana comenta: “yo considero que cuando tomé mi IPre, al final fue mucho mejor que haber tomado un OPR 2000. Era una reunión semanal, trabajaba igual en mis tiempos. Igual requiere un mayor compromiso que un ramo cualquiera, porque el trabajo o lo haces tú, o no lo hace nadie y eso implica que el alumno esté mucho más dispuesto“. La gracia de los IPre es precisamente que no tienen horario, entonces realmente es muy flexible, uno se hace su propio tiempo. Como los plazos son distintos a los de los ramos, ya que no se toman por Banner, uno puede incluso investigar en vacaciones y muchos de los profesores son flexibles cuando ven interés. También en ese sentido hay que ojalá tener un hito que marque el término de la investigación, porque en general una investigación siempre va a dar para más. También es un tema que los profesores hagan la diferencia entre los alumnos con menos experiencia, que vienen recién entrando, en contraposición a aquellos que ya son más grandes y por lo tanto más autónomos. Son los desafíos del IPre.

El Programa de Investigación en Pregrado (IPre) busca generar una “cultura de investigación” en la Escuela. The Undergraduate Research Program (IPre) seeks to create a “culture of research” at the School.

they have to do research depends on how they chose their major and minor, and that gives them the number of OPI’s they must take. It’s not like before, when there was a fixed number. About the relation between an IPre and other courses of the School, Mariana comments: “I consider that, when I took my first IPre, in the end it was much better that having taken an OPR 2000. It was a weekly meeting, and I also worked in my own time. It also requires more commitment than an ordinary course, because if you don’t do the job, nobody will do it for you, and that implies that students are much more willing to work”. The thing about the IPre’s is precisely that they have no schedule, so they are really flexible: you organize your own time. As the deadlines are different from the regular courses, because they are not taken by Banner (UC course management system), one can even do research during holidays, and many of the teachers are flexible when they see interest. Also, in that sense, one should hopefully have a milestone to indicate the end of the research, because generally a research will offer new things to explore. The fact that teachers make a difference between the unexperienced students, that are just entering, in comparison with the older ones, which are more autonomous, is also discussed. These are the challenges of IPre’s.


Investigación en pregrado / 09

Los IPre se inscriben la página web de IPre. Esta plataforma, cuya última versión se estrenó en abril de 2016, permite que alumnos y profesores interactúen para realizar una investigación en conjunto. El objetivo principal de la nueva plataforma es promover y facilitar el desarrollo de investigaciones de pregrado tanto en la Escuela de Ingeniería como en otras Facultades UC, instituciones externas y empresas. Las entrevistadas comentan que, en general, los alumnos que entran a la web de IPre están con una mentalidad clara y ya un poco decidida de qué quieren investigar. La nueva plataforma debería facilitar la búsqueda de oportunidades.

IPre’s are registered at the IPre webpage www. ing.puc.cl/ipre. This platform, which last version was launched in April 2016, allows students and teachers to interact in order to do research together. The main objective of the latest version is to promote and facilitate the development of undergraduate research in the UC Engineering School, and other UC Faculties, external institutions, and companies. The interviewees comment that usually the students that access the IPre webpage come with a clear mind and more or less decided on what they want to do research on. With the new platform it should be easier to explore opportunities.

Es fundamental que los alumnos utilicen todas las fuentes de información. En 2015, la Escuela lanzó un libro que recopila las investigaciones de los profesores. Lo recomendable es hablar con el profesor directamente y ver si él espera lo mismo que uno, especialmente para manejar las expectativas. Un alumno puede querer publicar y puede que el profesor opine que sus investigaciones no dan para una publicación, así como hay otros profesores que exigen que la investigación se transforme en una tesis de magíster.

It is fundamental that students use all the information sources. In 2015, the School launched a book that compiles the research of the teachers. It is recommendable to speak directly with the professor to see if he or she has the same expectations as you do, especially in order to know the expectations. A student may want to publish and the teacher might think that his or her research is not enough to be published, while there are some professors that demand the research to become a Master’s thesis.

Por último se señala la utilidad de realizar IPre antes de incurrir en un postgrado. Lo primero positivo es que uno ya tiene claro lo que es investigar: leer, buscar papers, contactar gente, y generar conocimiento con eso. Al final si uno no está seguro, es muy recomendable tomar un IPre porque un magíster no es para probar si te gusta investigar, en cambio un IPre es perfecto para esa prueba y error.

Finally, the usefulness of an IPre before taking a graduate certificate is also mentioned. The positive side is that one already understands what research is: reading, searching for papers, getting in touch with people, and generating knowledge from that. In the end, if one is not sure, it is highly recommendable to take an IPre course, because you don’t take a Master’s degree to see if you like researching, whereas an IPre is perfect for trial and error.

Para más información sobre el programa IPre, visita www.ing.uc.cl/ipre Para más información sobre el libro de investigación, visita www.ing.uc.cl/ investigacion/libro-de-investigacion/

For more information about IPre, go to www. ing.uc.cl/ipre For more information about the research book, go to www.ing.uc.cl/investigacion/librode-investigacion/


10 / Oportunidades de investigación

En Foco: Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica In Focus: Mechanical and Metallurgical Engineering

Estudiantes y profesores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica en una salida a terreno. Field trip by students and faculty from the Mechanical and Metalurgical Engineering Department.

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a ingeniería mecánica es la rama de la ingeniería que se dedica a la conversión de energía y al diseño, producción y operación de máquinas, mientras que la ingeniería metalúrgica se centra en la extracción, aleación y fabricación de metales. El Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica (DIMM) de la UC tiene siete laboratorios de investigación y cuenta con un equipo de 14 académicos con investigaciones en:

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Diseño, fabricación y desarrollo de productos Termociencia y termofluidos Mecánica de fluidos y sólidos computacional Conversión y almacenamiento de energía

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echanical Engineering is the branch of Engineering that pertains to energy conversion and the design, production and operation of machines, while Metallurgical Engineering deals with the extraction, purification, alloying and fabrication of metals. The Department of Mechanical and Metallurgical Engineering (DIMM) at UC has seven research laboratories and 14 faculty members with research interests in:

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Product design, manufacturing and development Thermoscience and thermofluids Computational fluid and solid mechanics Energy conversion and storage


Oportunidades de investigación / 11

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Control e ingeniería mecatrónica Caracterización, desarrollo y procesamiento de materiales Micro y nanotecnología Bioingeniería y biomedicina

Las áreas de investigación del Director del Departamento, Jorge Ramos, abordan distintos temas. Uno que destaca es el procesamiento de materiales con láser en relación a las técnicas de formación y aditivas; en particular, la fundición con láser selectiva, así como el modelamiento por deposición fundida y la impresión 3D usando distintos sistemas de materiales. En el campo de la impresión 3D, el profesor Ramos se encuentra desarrollando nuevos materiales para la impresión de biomodelos óseos para la planificación quirúrgica. También está trabajando en el cálculo de las propiedades mecánicas y eléctricas fundamentales de los materiales a partir de curvas de energías interatómicas obtenidas con cálculo ab initio, así como en la evaluación de la eficiencia de la segunda ley en los procesos de pulverización. Los temas de investigación de Diego Celentano se relacionan con la caracterización experimental y la modelización numérica del comportamiento mecánico de materiales (incluyendo metales, compuestos poliméricos y tejidos suaves humanos), el análisis experimental y modelización termo-mecánico-metalúrgica multi-escala de procesos industriales (embutición profunda, estampación, trefilado, formado con láser, moldeo, formado eléctrico, etc.), y la simulación numérica orientada a la mejora del diseño de procesos.

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Control and mechatronics Materials Characterization, Development Processing Micro and nanotechnolgy Bioengineering and biomedicine

Department chair, Jorge Ramos’ research interests cover several topics. An important one is that of laser materials processing regarding forming and additive techniques. In particular, Selective Laser Melting as well as Fuse Deposition Modeling and 3D Printing using different material systems. In the field of 3D printing, he is developing new materials for printing bone biomodels for surgical planning. He is also carrying out the calculation of fundamental mechanical and electrical properties of materials from interatomic energy curves extracted by ab-initio computation, as well as the evaluation of second law efficiency of comminution processes. Diego Celentano’s research interests are related to experimental characterization and numerical modelling of the mechanical behavior of materials (including both metals, polymer composites and human soft tissues), experimental analysis and thermomechanical-metallurgical multiscale modelling of industrial processes (deep drawing, stamping, wire drawing, laser forming, casting, electrically assisted forming, etc.,) and numerical simulation oriented to the improvement of processes design. The solar energy group led by Rodrigo Escobar works on several topics that cover

Prueba de concentración de un heliostato para un sistema de torre solar de generación directa de vapor. Heliostat focusing test for a direct steam generation solar power tower system.


12 / Oportunidades de investigación

Vista isométrica de una prótesis craneal elaborada con láser. Isometric view of laser-formed cranial prosthesis.

El grupo de energía solar, liderado por Rodrigo Escobar, se dedica a distintos temas relacionados con la cadena de conocimiento completa de los proyectos de energía solar. Esta incluye la evaluación y el pronóstico de recursos solares, el diseño de plantas solares, el análisis de producción y la evaluación de desempeño, y la integración a la red eléctrica de las tecnologías PV y CSP. Los esquemas de poligeneración solar se estudian con el fin de definir diseños óptimos de los sistemas de conversión de energía solar que sean capaces de producir, al mismo tiempo, electricidad, calor de proceso, enfriamiento de proceso y desalinización de agua para las industrias de la minería y los alimentos. Finalmente, los nuevos conceptos para los dispositivos y sistemas de conversión de energía solar son analizados con simulaciones computarizadas y pruebas experimentales. El grupo utiliza los mejores paquetes de software especializados para la simulación computarizada y opera el laboratorio de energía solar más moderno y completo de Chile, con acceso a sensores y sistemas fotovoltaicos y térmicos de última generación. Las áreas de investigación de Amador Guzmán son la conversión solar y térmica con tecnologías

the complete knowledge chain for solar energy projects. This includes solar resource assessment and forecasting, solar plant design, yield analysis and performance evaluation, and grid integration for both PV and CSP technologies. Solar polygeneration schemes are studied in order to define optimal designs of solar energy conversion systems able to simultaneously produce electricity, process heat, process cooling, and water desalination for the mining and food industries. Finally, novel concepts for solar energy conversion devices and systems are analyzed by computer simulations and experimental tests. The group utilizes leading specialized software packages for computer simulation and operates Chile´s most modern and complete solar energy lab, with access to state-of-the-art sensors, photovoltaic and thermal systems. Amador Guzman’s research areas are solar and thermal energy conversion by solid state technologies, microfluidics for life sciences, sensors and biomedical devices and prosthesis, computational fluid mechanics and flow mixing. In the area of energy conversion, Amador’s group investigates and develops new technologies based on


Oportunidades de investigación / 13

Ejemplo de colaboración con MBARI en la navegación de vehículos submarinos operados remotamente durante la expedición 2015 al golfo de California. Example of collaboration with MBARI on navigation of a remotely operated underwater vehicles during the Gulf of California expedition 2015.

de estado sólido, los microfluidos para las ciencias de la vida, los sensores y los dispositivos y prótesis biomédicos, la mecánica de fluidos computacional y la mezcla de flujos. En el área de la conversión de energía, el grupo de Amador investiga y desarrolla nuevas tecnologías sobre la base de fenómenos termoeléctricos, flujo de doble fase y materiales nanoestructurados para generadores termoeléctricos solares (STEG), sistemas híbridos termoeléctricos solares (HSTE), y sistemas termofotovoltaicos (TPV) y fotovoltaicos concentrados (CPV). En el área de los microfluidos, el grupo de Amador desarrolla sistemas y dispositivos para detectar partículas biológicas e inorgánicas, tales como bacterias, moléculas y toxinas. En el área de la ingeniería biomédica, Amador está investigando y desarrollando dispositivos y sensores capaces de medir cantidades biológicas y mecánicas, tales como la concentración, las deformaciones y el estrés. Finalmente, en el área de la mecánica de fluidos computacional, Amador se encuentra investigación el fenómeno de mezcla de flujos en micro y macrosistemas, y la combinación de corrosión y erosión con flujos turbulentos. Una nueva línea de investigación en el área del control y la ingeniería mecatrónica en el departamento se enfocará en la robótica de campo. Giancarlo Troni, un profesor recién incorporado, estará promocionando el área de la robótica en el departamento, con un foco en el uso de robots fuera del laboratorio, en el campo y en tareas productivas. La

thermoelectric phenomena, two-phase flow and nanostructured materials for Solar Thermoelectric Generators (STEG), Hybris Solar Thermoelectric (HSTE) systems, Thermophotovoltaics (TPV) and Concentrated Photovoltaics (CPV) systems. In the area of microfluidics, Amador’s group develops systems and devices for detecting biological and non-organic particles such as bacteria, molecules and toxins. In the area of biomedical engineering, Amador is investigating and developing devices and sensors capable for measuring biological and mechanical quantities such as concentration, deformations and stresses. Lastly, in the area of computational fluid mechanics, Amador is investigating flow mixing phenomena in micro and macrosystems and the coupling of corrosion and erosion with turbulent flows. A new line of research in the area of control and mechatronics in the department will be focusing on field robotics. The recently joined professor, Giancarlo Troni, will be fostering the robotics area in the department with a focus on using robots outside the laboratory, on the field, in productive tasks. Giancarlo’s main area of research is related to perception, estimation and control applied to robots in marine environments. High pressure and lack of GPS signals are some challenges that need to be overcome to work underwater, but ocean exploration also opens new opportunities that can be applied to current problems in Chile


14 / Oportunidades de investigación

El alumno Giovanni Medrano probando un prototipo alfa de una prótesis manual hecha en impresora 3D, con el usuario Paolo Roni. Student Giovanni Medrano testing an alpha prototype of a 3D printed hand prosthesis with user Paolo Roni.

principal área de investigación de Giancarlo se relaciona con la percepción, estimado y control aplicados a los robots en entornos marinos. La alta presión y la falta de señales de GPS son algunos de los desafíos que se tienen que superar para trabajar bajo el agua, pero la exploración del océano también abre nuevas oportunidades que se pueden aplicar a los problemas actuales de Chile y el mundo.

and the world. Cristian Chavez holds interests in the astronautics and dynamics of lesser celestial bodies and dynamics of mechanical systems.

Cristian Chávez se dedica a la astronáutica y la dinámica de cuerpos celestes de menor tamaño, así como a la dinámica de los sistemas mecánicos. Su trabajo reciente incluye el diseño y la construcción del primer satélite prototipo de trabajo para propósitos educacionales para la Escuela de Ingeniería de la PUC.

Magdalena Walczak’s research is in engineering application of materials in environments that compromise their functionality through corrosion and/or wear. An example would be the damage experienced by materials of energy storage system, e.g. batteries. An example of environmentally enhanced wear is the erosion-corrosion experiences by pipes when transporting slurry or turbines exposed to marine current with sand.

La investigación de Magdalena Walczak se enfoca en la aplicación ingenieril de materiales en entornos que comprometen su funcionalidad por medio de la corrosión y/o el desgaste. Un ejemplo sería el daño experimentado por materiales del sistema de almacenamiento de energía, por ejemplo, baterías. Un ejemplo de desgaste acentuado ambientalmente corresponde a las experiencias de erosión-corrosión de tubos al momento transportar lechada o turbinas expuestas a corrientes marinas con arena.

His recent work includes the design and construction of the first working prototype satellite for educational purposes for the PUC School of Engineering.

Wolfram Jahn’s research interests are fire dynamics and computational fluid dynamics. In particular, he is interested in developing tools and methodology that allow for real-time forecasting of enclosure fire dynamics, complementing CFD computations with live incoming sensor data. He also works on optimal layout of fog harvesting meshes, using CFD and


Oportunidades de investigación / 15

Los intereses de investigación de Wolfram Jahn son la dinámica del fuego y la dinámica de fluidos computacional. En especial, le interesa el desarrollo de herramientas y metodología que permitan predecir en tiempo real la dinámica del fuego en lugares cerrados, complementando los cálculos CFD con datos de sensores de entrada en directo. También trabaja en el diseño óptimo de mallas de cosecha de neblina usando técnicas de CFD y de optimización. Wolfram también ha trabajado en la optimización de forma usando un CFD adjunto y la optimización numérica.

optimization techniques. Wolfram has also worked on shape optimization using adjoint CFD and numerical optimization.

La investigación de Luciano Chiang se centra en el diseño de nuevos sistemas rentables de dinámica y mecatrónica para las industrias locales de minería, pesca, energía y defensa. Los intereses de Julio Vergara comprenden el diseño conceptual de nuevos y modernos sistemas de propulsión marina, así como la evaluación de sostenibilidad y evaluación de temas de seguridad para la producción de energía nuclear.

The Engineering Design Initiative (Major IDI), hosted by DIMM includes faculty members Constanza Miranda, Catalina Cortazar and Sruthi Boda. Constanza has interests in product design, manufacturing and innovation in engineering education. She has led several product innovations for social and medical causes and is currently working with the PUC School of Medicine and Sruthi to develop mobile medical training devices.

La Iniciativa de Diseño Ingenieril (IDI), patrocinada por el DIMM, incluye a los académicos Constanza Miranda, Catalina Cortázar y Sruthi Boda. A Constanza le interesa el diseño de productos, la fabricación y la innovación en la enseñanza de la ingeniería. Ella ha dirigido distintas innovaciones de productos para causas médicas y sociales, y actualmente colabora con la Escuela de Medicina de la PUC y Sruthi para desarrollar dispositivos móviles de entrenamiento médico. Los intereses de Catalina comprenden la innovación en la enseñanza de la ingeniería y la investigación sobre la inclusión de niñas en STEM. Los principales intereses de investigación de Sruthi incluyen la ergonomía laboral y el diseño de productos ergonómicos. Dentro de estas áreas, Sruthi se encuentra trabajando en el desarrollo de dispositivos vestibles (wearables) para la prevención de lesiones ergonómicas, en nuevos métodos de cuantificación de carga de trabajo mental y en la investigación de factores biomecánicos para la prevención primaria del dolor de la zona lumbar. A los estudiantes interesados se les invita a visitar el sitio del DIMM para más información sobre nuestros académicos, así como para conocer personalmente a los profesores. http://www.ing.uc.cl/mecanica-y-metalurgica/

Luciano Chiang’s research is centered in the design of novel and cost efficient dynamics and mechatronics systems oriented to the mining, fishing, energy and defense local industries. Julio Vergara’s interest lies in the conceptual design of novel and modern sea propulsion systems as well as energy sustainability assessment and safety issues evaluation of nuclear energy production.

Catalina’s interests encompass innovation in engineering education and research on inclusion of girls in STEM. Sruthi’s key research interests include occupational ergonomics and ergonomic product design. In these areas, Sruthi is working on the development of wearable devices for ergonomic injury prevention, novel methods of mental workload quantification and investigation of biomechanical factors for the primary prevention of low back pain. Interested students are encouraged to visit the DIMM website for further details of all faculty members and personally meet professors to learn more. http://www.ing.uc.cl/mecanica-y-metalurgica/


16 / Oportunidades de investigación

En Foco: Programa de Ingeniería Matemática In Focus: Mathematical Engineering Program

La Ingeniería Matemática tiene un amplio campo de investigación. Mathematical Engineering has a large research field.

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entro de Ingeniería Matemática y Computacional, puedes realizar investigación de clase mundial por medio de la modelación matemática, análisis, desarrollo de algoritmos numéricos de alto rendimiento y su implementación computacional para diversos problemas interdisciplinarios: desde el diseño nuevos materiales en ingeniería, sistemas biológicos o financieros, hasta el mismo análisis del Big Bang. Algunos ejemplos de proyectos de modulación, análisis y simulación que se han desarrollado por alumnos, están la modelación de transmisión neural, análisis de imágenes de sonar difractadas por cardúmenes de peces, dispositivos generación de energía termo-foto-voltaicos, modelos cardiovasculares, entre muchos más. Nuestros alumnos tienen la posibilidad de

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ithin Mathematical and Computer Engineering, you can perform world class research through math modeling, analysis, high performance numeric algorithm development, and its computer implementation for different interdisciplinary problems: from the design of new engineering materials, biological or financial systems, to the analysis of the Big Bang. Among some examples of these modulation, analysis and simulation projects developed by students, are the modeling of neural transmission, analysis of sonar images diffracted by schools of fish, photothermal-voltaic energy generating devices, and cardiovascular models. Our students have the option of doing research


Oportunidades de investigación / 17

realizar estadías de investigación en el extranjero en centros en Europa y EE.UU. de primer nivel.

fellowships abroad in first class centers in Europe and USA.

TESTIMONIO DE UN ALUMNO: José Pinto se tituló el año 2015 de Ingeniería Industrial Matemática. Durante su estadía en el programa, José realizó 20 créditos de IoP. La investigación, más que un proyecto concreto, consistió en una revisión bibliográfica relacionada con métodos numéricos y formas diferenciales para Maxwell (electromagnetismo). La idea era estudiar temas más actuales que los que se presentan en los cursos y necesarios para hacer alguna investigación más concreta.

STUDENT TESTIMONY José Pinto graduated in 2015 with a degree in Industrial Mathematical Engineering. Through his major, he obtained 20 IoP (research or project) credits. His research, more than a concrete project, consisted in a bibliographical review of numeric methods and differential forms for Maxwell (electromagnetism). His idea was to study topics more current than the ones presented in class, as well as topics required to perform more concrete research.

“Hubo varias razones para realizar esa investigación. Primero me interesaba realizar algún tipo de investigación mientras era alumno de pregrado. Además, el área ya me interesaba, pues había realizado un curso de seminario sobre temas parecidos y lamentablemente en ese tiempo no existían otros cursos sobre el tema. Finalmente una vez que ya había decidido hacer el magíster, me pareció que era la mejor manera de preparar una tesis. Los créditos de IOP me fueron sumamente útiles, si bien por distintas razones mi tesis no terminó siendo sobre exactamente los temas investigados, me sirvió para adquirir experiencia en investigación, además de aprender fundamentos del área de investigación que no se ven en otros ramos, los que si usé explícitamente en mi tesis. Incluso, muchos aspectos que aprendí durante esa investigación, los utilizo actualmente en mi trabajo. Me parece que las oportunidades de investigación en pregrado son una de las buenas oportunidades que ofrece la Escuela de Ingeniería. Si bien no es lo mismo que un curso, pues no hay un programa tan claro y es uno mismo quien debe tomar muchas decisiones, para mí ese es el principal valor: uno deja de ser un estudiante pasivo y pasa a hacerse parte de lo que uno quiere aprender. Creo que es una de las mejores maneras de aprovechar los créditos en pregrado, ya que permiten aprender directamente desde un profesor, en forma más personalizada. Por último creo que ofrecen una oportunidad para conocer cómo se hace investigación sin comprometerse a nivel de un magister o doctorado, por lo que los recomiendo especialmente a quienes tengan dudas sobre realizar un postgrado”.

“There were many reasons to perform this research. First, I was interested in doing some type of research as an undergraduate student. Furthermore, I was already interested in the area, as I had already taken a seminar about similar subjects, and, unfortunately, at that time there were no other courses about those topics. Finally, once I decided to pursue a Masters, I thought it was the best way to prepare a thesis. The IoP credits were extremely useful. Even though my thesis did not end up being exactly about the research subjects, it served me to acquire experience in research, as well as to learn fundamental aspects in the area of research which are not learned in other courses, and which I explicitly used in my thesis. Moreover, in my current work I use many things I learned from that research. I think that undergraduate research opportunities available at the Engineering School are one of the best opportunities that the School offers. Even though is not the same as a class, since there is not a clearly defined program and one must make many of the decisions, for me that was its main value: one ceases to be a passive student and becomes part of what one wants to learn. I believe this is one of the best ways to take advantage of undergraduate credits, as it allows you to learn directly from a professor, in a more individualized manner. At last, I believe that it offers an opportunity to get to know how research is done without committing oneself to a Masters or Ph.D., which is why I specially recommend it to those whom may have doubts about a graduate program.”


18 / Interdisciplina

Investigando en CIGIDEN

Gestión integrada de desastres naturales: “no basta con la suma de las partes” Researching at CIGIDEN

Integrated management of natural disasters: “the sum of its parts is not enough”

Los desastres naturales presentan una serie de desafíos tecnológicos, sociales y políticos que deben ser abordados desde una perspectiva multidisciplinaria. Natural disasters have a number of technological, social and political challenges that must be addressed from a multidisciplinary perspective.

Ingenieros, geólogos, arquitectos y psicólogos trabajan en conjunto en el CIGIDEN para mejorar la forma en que el país se enfrenta a los desastres naturales desde un acercamiento totalmente interdisciplinario. El Centro alienta a los estudiantes para que se unan a este trabajo. Por Ignacio Madrid

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hile es un verdadero laboratorio natural, y los desastres naturales en particular, suponen un tremendo y complejo desafío para la sociedad y la ciencia, donde convergen componentes tanto físicas, técnicas e ingenieriles, como psicológicas o políticas. En este sentido, el Centro Nacional de Investigación para la Gestión

Engineers, geologists, architects and psychologists work together at CIGIDEN in order to improve, from a completely crossdisciplinary approach, the way in which the country deals with natural disasters. The Center encourages students to join this project. By Ignacio Madrid of GP

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hile is a real natural laboratory, and natural disasters in particular, are a tremendous and complex challenge for society and science, where physical, technical and engineering, as well as physiological and political components coincide. In this sense, the National Research Center for the Integrated Management of Natural Disasters (CIGIDEN


Interdisciplina / 19

Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN) se propone abordar el problema de los desastres naturales desde una perspectiva totalmente interdisciplinaria y donde confluyan la participación de académicos y alumnos. Rodrigo Cienfuegos, profesor del departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental y director de CIGIDEN, nos cuenta sobre cómo la investigación interdisciplinaria es clave a la hora de gestionar respuestas ante sucesos tan frecuentes como los últimos terremotos y aluviones y la importancia de que “los alumnos sepan que pueden aportar” en líneas de investigación interdisciplinarias.

in Spanish) aims to address the natural disaster dilemma from a completely cross-disciplinary perspective, where the participation of professors and students converges. Rodrigo Cienfuegos, professor at the department of Hydraulic and Environmental Engineering and director of CIGIDEN, tells us how interdisciplinary research is the key when it’s comes to manage responses in front of such frequent events as the last earthquakes and floods, and the importance for “students to be aware of what they can contribute” when it comes to interdisciplinary research.

El rasgo distintivo del CIGIDEN es la “gestión integrada”, ¿qué es lo que caracteriza esta visión integrada respecto de otras más disciplinares? “El caso de ingeniería sísmica, por ejemplo, es un caso bien particular. Hubo avances bien interesantes, de hecho el departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica de la Escuela es uno de los referentes a nivel latinoamericano y quizás mundial, sin duda. Sin embargo, aun teniendo ingeniería bastante buena, que ha ayudado a mitigar, a tener construcciones mucho más sólidas y disminuir las muertes significativamente en los recientes terremotos, tsunamis y catástrofes de tipo aluvionales, todavía se observan carencias importantes en las respuestas. Entonces, para mejorar ese funcionamiento de la sociedad no basta con la suma de las partes. No basta que los ingenieros estructurales hagan su trabajo, los hidráulicos hagan su trabajo, los cientistas políticos y abogados hagan su trabajo. Se requieren establecer vínculos para tener diagnósticos compartidos y después pensar en formas de abordar las diferencias en conjunto. Hoy hay consenso a nivel global de que los problemas complejos, los grandes problemas de la sociedad, se tienen que abordar con perspectivas interdisciplinarias. Desde ese punto de vista, es la integración que estamos empujando al alero del Centro. Tener un espacio para conocer a investigadores de otras facultades para interactuar con ellos y pensar con ellos de forma conjunta”.

CIGIDEN’s distinctive characteristic is “integrated management”. What characterizes this integrated vision regarding other disciplinary approaches? “The case of earthquake engineering, for example, is a very particular one. There were very interesting development. In fact, the School’s Structural and Geotechnical Engineering department is a point of reference in Latin America and even worldwide, no doubt. However, even though we have pretty good engineering, that has helped to mitigate, to have much stronger constructions and to significantly reduce the deaths during the recent earthquakes, tsunamis and alluvial catastrophes, there are still important deficiencies in the responses to the emergencies. Then, to improve that response from society, the sum of its parts is not enough. It’s not enough for structural engineers to do their jobs, hydraulic ones theirs, and political scientists and lawyers theirs. To establish links is required in order to have shared diagnoses and then think in ways to deal with the differences as a group. There is worldwide agreement today that the complex issues, the great issues of society, must be approached with interdisciplinary perspectives. From that point of view we conceive the inclusion that we are seeking under the sponsorship of the Center. Having a space to meet researchers from other faculties in order to interact with them and think with them in a jointly way.”

Y hoy en día, en concreto ¿cuáles son los principales desafíos? ¿Hay algún punto débil? “Estamos en el desafío que están afrontando todos los países y es que todas las estructuras y definiciones, la manera en que trabajamos

And today, specifically, which are the main challenges? Is there any weak point? “We are facing the same challenges as every country, which are that all the structures and definitions, the way in which we worked the


20 / Interdisciplina

El Primer Encuentro de Estudiantes CIGIDEN se realizó en agosto de 2015. The First Meeting of CIGIDEN Students was held in August 2015.

todo el siglo XX, han sido pensadas en el enfoque disciplinar; todo el sistema está pensado de esa manera. Hay una barrera enorme para romper eso, pero lo estamos haciendo. El programa de Investigación en Pregrado (IPre), por ejemplo, es un esfuerzo que ataca uno de los niveles. Lo mismo pasa con esfuerzos a nivel de universidad para generar tesis interdepartamentales, que aún hay pocas. Este Centro también es un esfuerzo en generar espacios e incentivos para que los investigadores empiecen a vincularse. Hoy el desafío mayor es lograr esos vínculos efectivos de trabajo conjunto y pensar los problemas desde el diagnóstico con otras disciplinas. Sin embargo, lamentablemente las estructuras están pensadas para que ese trabajo interdisciplinario no ocurra. Por ejemplo, el FONDECYT, que es el fondo de investigación más fundamental (e importante), realiza su evaluación mediante paneles de revisión por pares que son disciplinares. Desde ahí ya es complicado”.

whole 20th century, have been designed from a disciplinary perspective; the whole system is built that way. There is a huge barrier to end that. But we are doing it. The Undergraduate Research Program (IPre), for example, is an effort that deals with one of the levels. The same occurs at a university level with the efforts to create interdisciplinary theses. There are few of those still. This Center is also an effort to generate spaces and encouragement in order to make researchers start establishing links. Nowadays, the main challenge is to create those effective links of team work. Also, to think the issues from the initial diagnostic together with other disciplines. However, unfortunately, the structures are designed to prevent that interdisciplinary work. For example, FONDECYT, which is the most fundamental (and important) research fund, has only disciplinary peer-review panels.. From there on, it gets complicated.”

¿Cómo fue la experiencia de generar esta vinculación en el Centro? “Sigue siendo difícil, no es una carrera ganada. Es un proceso que hace camino en una estructura complicada. Sin embargo, hemos tenido experiencias muy interesantes en interacciones entre psicólogos e ingeniería, sociología e ingeniería, incluso con geología. No siempre se ha dado y se está dando acá en el Centro. Queremos construir un núcleo cohesionado que haga aportes que sean relevantes”.

How was the experience of generating this link with the Center? “It is still hard; it’s not a won race. It is a process that is opening a path in a complicated structure. Nevertheless, we have had really interesting experiences in interactions between psychologists and engineering, sociology and engineering, even geology. It hasn’t always been like this, but it is happening here at the Center. We want to build a united core that makes important contributions.”


Interdisciplina / 21

Rodrigo Cienfuegos lidera la línea de investigación relacionada con procesos de aguas superficiales y amenazas naturales asociadas.

Rodrigo Cienfuegos leads the research related to surface water processes and associated natural hazards.

Y finalmente ¿cómo se transmiten los resultados que se obtienen en el CIGIDEN? ¿Cómo es el diálogo con las autoridades? “Hemos estado en la discusión de los eventos recientes, con la ONEMI y a través de la prensa, viendo cómo mejorar a una gran escala la gestión de catástrofes en el país. También hemos tenido un rol en la diseminación más efectiva y más amplia de nuestros descubrimientos, no sólo a nivel de artículos científicos, sino también a nivel de colegios y otros actores que son relevantes”.

And finally, how are the results obtained at the CIGIDEN spread? How is the dialogue with the authorities? “We have been present in the discussion of the recent events, with the ONEMI (National Emergency Office of the Ministry of Interior and Public Security) -and through the press - figuring-out how to improve catastrophe management in the country at a large-scale . We have also had a role in the more effective and broader dissemination of our findings, not only through scientific articles, but also in talks in schools and with other important stakeholders.”

¿Y qué tan importantes son los estudiantes en este proceso? “Es a través de los estudiantes que estas interacciones multidisciplinarias se generan. También los estudiantes pueden tener la iniciativa de querer juntar a dos profesores. Eso debiera ocurrir más. Es importante que los alumnos sepan que pueden aportar. Así por ejemplo, desempeñar temas de tesis que requieren el aporte de distintos profesores. Además se está formando un capítulo de estudiantes que pretende acercar el trabajo del Centro. Una primera actividad tiene que ver con presentaciones de resultados y también participar en este proceso de diseminación en colegios y ferias”.

And how important are students in this process? “It is through the students that these multidisciplinary interactions are generated. The students can also take the initiative of getting two professors together. That should happen more often. It is important that students know that they can contribute. And so, for example, develop thesis themes that require the contribution from different professors. In addition, a student chapter is being formed to spread the word about the job of the Center. A first activity is related with the presentation of research results, and also to carry out this dissemination process at schools and fairs.”


22 / Interdisciplina

La PERSPECTIVA de un alumno

A student’s PERSPECTIVE

José Galaz, alumno de la Escuela de Ingeniería, está liderando la conformación de un capítulo que reúne a los alumnos que están colaborando con CIGIDEN. “Somos estudiantes de distintas universidades que nos juntamos para organizar distintos tipos de actividades, con el propósito de reforzar los objetivos del CIGIDEN. También queremos juntar a todos los estudiantes que están asociados al Centro y que vienen de muchas instituciones, desde la Universidad Católica del Norte o la Universidad Técnica Federico Santa María, por ejemplo”, nos cuenta.

José Galaz, student at the Engineering School, is leading the conformation of a group that gathers the students collaborating with CIGIDEN. “We are students from different universities that gather together to organize different kind of activities, with the purpose of reinforcing the CIGIDEN objectives. We aim bringing together all the students associated to the CIGIDEN from many institutions - from the Universidad Católica del Norte or the Universidad Técnica Federico Santa María, for example”, he tells us.

¿Cuáles son sus objetivos? “Queremos generar una comunidad de estudiantes. Ese es el primer gran desafío. La idea es armar algo análogo a un capítulo estudiantil, en donde recibimos financiamiento, en este caso desde CIGIDEN, que se nos entrega para realizar actividades que se alineen con la misión y la visión del Centro. Lo segundo importante es llevar el CIGIDEN al exterior, ampliar el alcance tanto a las universidades como a las personas. Dentro de las universidades, la idea es atraer alumnos para que conozcan el Centro, y con los interesados hacer un puente entre ellos y los profesores”.

Which are your objectives? “We want to create a student community. That is the first great challenge. The idea is to form something akin to a student group, where we get funding, in this case from the CIGIDEN, which is given to us to carry out activities that are aligned with the mission and vision of the Center. The second important thing is to bring out the results of CIGIDEN and extend the reach to both other universities and people. Inside the University, the idea is to attract students so they get to know the Center, and with the interested ones, create a bond between them and the teachers.”

¿Cómo nace la idea de agrupar a los estudiantes CIGIDEN? “Por junio [de 2015], Rodrigo nos convocó a todos a armar la agrupación, especialmente por comentarios de un comité internacional que evaluaba el Centro, donde una de las sugerencias era formar un grupo de estudiantes. Es algo bien reciente, pero hay mucho entusiasmo y la recepción ha sido muy buena por parte de los estudiantes”.

Where does the idea of gathering the CIGIDEN students come from? “By June [2015], Rodrigo summoned all of us to form the group, especially because of some comments made by the international review board that evaluates the Center, where one of the suggestions was to form a group of students. It is something recent, but there is a lot of enthusiasm and the reception by the students has been really good.”

¿Cómo fue tu experiencia personal como alumno de pregrado investigando en el CIGIDEN? “Ha sido una gran experiencia. Tiene sí un lado A y un lado B. En el lado A, uno aprende mucho, conoces a muchas personas, desde grandes eminencias de las áreas en las que estás investigando, como también a otros alumnos que están en la misma que tú. Eso es súper bueno porque permite ayudarse y no estar solo, que es algo que suele pasar, y que es a lo que me refiero con el lado B. Sin embargo, con este tipo de iniciativas uno encuentra más apoyo, con gente que está haciendo lo mismo que tú.

How was your personal experience as an undergraduate student researching at the CIGIDEN? “It has been a great experience. There are, of course, two sides of the story. On one side, you learn a lot, you meet a lot of people, from great prominent figures in the areas you are researching, to students that are in your own position. That is really great because it allows us to help each other and not be alone. This is something that tends to happen, and it is precisely what I mean by the other side of the story. However, with this type of initiative you get more support from people that are doing the same as you.


Interdisciplina / 23

Por lo demás investigar ha sido una gran oportunidad para aprender cómo llevar a cabo un trabajo para el que no existe una estrategia clara, donde no existe un final del cuento que uno sepa de antes cómo es; son problemas que están siempre replanteándose. Y eso es súper bueno para un alumno de pregrado porque uno llega ingenuamente, acostumbrado a los cursos, que uno sabe cómo empiezan y cómo terminan. Así, esta experiencia, que al principio puede ser un poco frustrante, es súper constructiva porque te enseña a tener más iniciativa, a tener más tolerancia a la frustración y aprender la metodología de investigación, yendo paso por paso y redefiniendo las metas. Empaparte del medio de la investigación en la que te estás metiendo es incomparable con aprender en la sala de clases”.

Apart from that, researching has been a great opportunity to learn how to carry out a work for which there is no clear strategy, for which there is no ending to the story that one already knows; these are problems that are continuously reconsidered. And it is really good for an undergraduate student, because one begins naively, used to courses that you know when they begin and when they end. Therefore, this experience, that at the beginning can be a little frustrating, ends up being very constructive, because it teaches you to have more initiative and more tolerance to frustration, and to learn research methodology, going step by step and redefining the goals. To be immersed in the research medium in which you are getting into is not comparable with learning at a classroom.”

¿Por qué recomendarías en particular el CIGIDEN para vivir esta experiencia de investigar en pregrado? “Hay varias razones, pero lo que más rescato es que el CIGIDEN te permite llevar mucho de la investigación incluso a políticas públicas. El objetivo es justamente ese: llevar toda esa investigación y entregarla a Chile, mejorar la vida de sus ciudadanos en este marco que es tan problemático y tan doloroso para las personas como son los desastres naturales. El hecho de contribuir al país de esa manera con una investigación, que es algo que a ti te apasiona, y que puedas ver esos resultados proyectados incluso al corto plazo, es algo que lo hace súper emocionante. No solo te emocionas por la investigación, sino también sientes que estás siendo un aporte al país de una forma diferente, con tus propios conocimientos y tu trabajo”.

Why would you recommend CIGIDEN in particular to live this undergraduate research experience? “There are many reasons, but the one I emphasize is that the CIGIDEN allows you to take a lot of the research even all the way through to public policies. The objective is precisely that: take all that research and give it to Chile, to improve the life of its citizens in this setting which is so problematic and painful as natural disasters are. The fact of contributing to the country in that way with a research, which is something that you’re passionate about, and that you can see those results projected even in the short term, is something that makes it very exciting. You don’t just get excited by the research, but you also feel that you are making a contribution to the country in a different way, with your own knowledge and your work.”

¿Qué mensaje transmitirías a los estudiantes de pregrado? “Lo importante es tener primero la iniciativa. Acercarse a ese tipo de plataformas. A veces las iniciativas están, pero las agendas no están muy sincronizadas con las de los alumnos Hay que hacer un esfuerzo . Así que apenas vean algo que les apasione: pregunten harto e insistan. Puede que ahí esté la gran oportunidad. En eso que los apasiona y que les va a hacer sentir que su trabajo puede llegar más allá, a impactar positivamente en las personas”.

What message would you give to undergraduate students? “What is important is to take action. To approach that kind of platforms. Sometimes there are initiatives, but the schedules are not well synchronized with the students’ ones. There is an effort to be made here. So as soon as you see something that you are passionate about, ask a lot and insist. Perhaps there is a big opportunity there. One that motivates you and will make you feel that your work can go beyond, that it can have a positive impact on people.”


24 / El descubrimiento por placer

Entrevista Daniel Zúñiga:

La motivación por ayudar y crear cosas nuevas Interview with Daniel Zuñiga:

Motivation to help and create new things

Daniel Zuñiga muestra Khapto, el guante kinesiológico que creó junto a sus compañeros de universidad. Daniel Zuñiga shows Khapto, the kinesiology glove that he developed with his classmates.

Durante 3º año de Ingeniería Civil Mecánica, Daniel Zuñiga y sus compañeros crearon Khapto, un guante que registra y sigue de manera objetiva la evolución de lesiones y enfermedades musculares. En esta entrevista, Daniel nos cuenta su historia. Por Juan Pablo Silva

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aniel Zuñiga es estudiante Ingeniería Civil Mecánica en la Universidad Técnica Federico Santa María. Junto a sus compañeros, Daniel creó Khapto, un moderno guante que registra y sigue de manera objetiva la evolución de lesiones y enfermedades musculares. Así, el Guante Khapto tiene por misión estandarizar los procedimientos cinéticos y las fuerzas ejercidas por los profesionales de la salud

During his 3rd year of Mechanical Engineering, Daniel Zuñiga and his classmates created Khapto, a glove that registers and monitors in an objective way the evolution of injuries and muscular diseases. In this interview, Daniel tells us his story. By Juan Pablo Silva

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aniel Zuñiga is a Mechanical Engineering student at Universidad Técnica Federico Santa María. Together with some classmates, Daniel created Khapto, a modern glove that records and follows in an objective way the evolution of injuries and muscular diseases. Thus, Khapto Glove’s mission is to standardize the kinetic procedures and the forces applied by healthcare professionals on their patients. With this idea, the Khapto team


El descubrimiento por placer / 25

sobre sus pacientes. Con esta idea, el equipo de Khapto ganó Jump Chile 2014 y estuvo en cuartos de final en el International Business Model Competition. Daniel comenzó a interesarse por la investigación desde pequeño al trabajar con su padre kinesiólogo en su clínica privada, donde se promueve la mentalidad de investigación y el interés por crear cosas nuevas. En la misma clínica privada, Daniel trabajó con alumnos de 5to año de kinesiología, y al mezclar este trabajo con la experiencia en la universidad, se motivó en la búsqueda de herramientas o métodos más ingenieriles para las prácticas kinesiológicas.

won Jump Chile 2014, and it got to quarter finals in the International Business Model Competition. Daniel became interested in research when he was young, while working with his father, a kinesiologist, at his private clinic, where a research mentality was promoted, as well as the motivation to create new things. At the same private clinic, Daniel worked with 5 students in the 5th year of Kinesiology, and when he combined this with the experience at university, he got interested in searching for more engineering tools and methods for kinesiology practices.

En la universidad, Daniel también se interesó en la investigación trabajando con alumnos de 5to año de kinesiología cuyos proyectos requerían métodos más ingenieriles. Daniel nos cuenta que “allí me motivó ese ambiente y me mostró que aún falta mucho por hacer”.

At the university, Daniel also became interested in research while working together with students from 5th year of Kinesiology whose projects required more engineering methods. Daniel states: “The environment inspired me, and I saw that there is still too much left to do”.

A través de sus investigaciones, Daniel busca poder estandarizar y normalizar ciertos procedimientos: “creemos que a pesar de que los cuerpos de las personas son distintos, la biología sigue patrones y ritmos similares, que pueden medirse y seguir tendencias”.

Through his research projects, Daniel aims to be able to standardize and normalize certain procedures: “We believe that even though everybody is different from others, Biology follows certain patterns and rhythms, which can be measured and follow trends”.

¿En qué temas te interesaste y por qué? En la medición y en la salud, bueno, al principio expliqué que trabaje con mi papá muchos años, donde en mi vida se juntaron dos mundos, la ingeniería con mucho potencial de creación y la salud, con tanto proceso, procedimiento, tanto profesional, con falencias, con problemas, donde perfectamente se puede cubrir y crear con la creatividad y la ingeniería.

Which areas interested you and why? Measurement and health. Well, at the beginning I said that I had worked with my father for many years, where two worlds in my life converged: engineering, with a lot of potential for creation, and health, with so many processes, procedures, professionals, but also with errors, with problems, which one can perfectly solve with creativity and engineering.

Cuando hablas de mediciones, ¿Específicamente a qué te refieres? Con mediciones me refiero a poder cuantificar lo que ocurre, en traspasar de alguna forma a números los procesos subjetivos, los movimientos que no se miden y poder entenderlos, compararlos y así mejorar el estado del arte.

When you speak about measurements, what exactly do you mean? With measurements I mean to be able to quantify what happens, to somehow put into numbers the subjective processes, the movements that are not measured, and to be able to understand them, to compare them, and thus to improve the state of the art.

¿Qué ha sido lo más gratificante para ti al estar realizando actividades de investigación? El poder otorgar valor a las personas.

What has been the most gratifying part for you when you’ve been doing research activities? To be able to give value to the people.

¿En qué sentido? Cuando se hace investigación, muchas veces se cae en el ego de “yo fui el que hizo tal”, y

In what sense? When you are doing research, there are many times in which the ego of “I was the one who


26 / El descubrimiento por placer

Khapto pretende eliminar la visiones subjetivas en el seguimiento de los pacientes. Khapto aims to eliminate subjective perceptions in the monitoring of patients.

muchas veces se olvida el objetivo primordial que es crear conocimiento, estar en la cúspide de este y subir un pequeño escalón para ayudar a las personas o para crear nuevas cosas que colaboren con una mejor sociedad.

made such thing” wins, and many times the essential purpose, which is to create knowledge, to be at the peak of it and to go one step further to help people or create new things that collaborate in a better society, gets lost.

¿Qué ha sido lo más difícil? La medición no es un proceso fácil, tiene muchísimas normas y excepciones para realizarlas de manera adecuada. Y en el área de la salud, todos hacen las cosas a su pinta, entonces, hay posturas encontradas en el tema, algunos escépticos, pero es parte del proceso.

What has been the most difficult thing for you? Measurement is not an easy process: it has a lot of regulations and exceptions in order to be done in the right way. And in the health area, everybody does things the way they like it; there are opposite opinions on certain topics, some sceptics, but that’s part of the process.

¿Cómo nació la idea de crear el guante Khapto? Nació trabajando con mi padre y en la necesidad de medir lo que hacían los kinesiólogos a sus pacientes (físicamente, fuerzas, movimientos, intensidades), de modo de hacer tratamientos objetivos, donde uno pueda hacerle un seguimiento cuantitativo y no que vaya cambiando según si se siente mejor o peor, si el kinesiólogo es el mismo el que atiende o es otra persona, si se cambia de lugar de atención, si el profesional hizo un esfuerzo demás, etc. Todas esas son las visiones actuales subjetivas, donde con el guante, pretendemos eliminar y seguir los tratamientos de manera adecuada y avanzando siempre con el ritmo del paciente y no al antojo del profesional.

Where did the idea of creating the Khapto glove come from? It began when I was working with my father and we needed to measure what kinesiologists did to their patients (physically, forces, movements, intensities), in order to develop objective treatments, where one can make a quantitative monitoring, so it doesn’t change depending on how the patient is feeling, or if it is the same kinesiologist or another, or if the place changes, or if the professional made an extra effort, etc. All these are subjective perceptions, which we hope to eliminate with the glove and thus monitor the processes in the adequate way, always improving according to the patient’s rhythm, not to the professional’s whim.

¿Cómo se registran estas mediciones y cómo se estandarizan? Se captan por medio de sensores electrónicos incorporados y la información se envía a un software que registra y se sigue todo el tratamiento;

How are these measurements recorded and standardized? They are captured by integrated electronic sensors and the information is sent to a software that registers and monitors the whole


El descubrimiento por placer / 27

luego se toman los datos más relevantes o puntos que el profesional puede “marcar”.

procedure; then you take the most relevant data or items that the professional can “mark”.

El estandarizar se realiza para poder entregar la misma calidad a todos, sin importar donde estén, y creemos que para las mismas lesiones alrededor del mundo, es necesario que tengan el mismo tratamiento (y el mejor) Para ello hay que medir, realizar investigación sobre cuales maniobras, técnicas, fuerzas y movimientos fueron los mejores en muchos casos con lesiones similares y generar un estándar que pueda aplicarse a estos de la mejor forma y el guante te guiará con eso.

Standardization is made in order to provide the same quality, regardless where they are, and we believe that the same treatment (and the best) should be applied to the same injuries around the world. To achieve this, it is necessary to measure, do some research about which strategies, techniques, forces and movements were the best in many cases with similar injuries, and to generate an standard that can be applied to them in the best possible way, and the glove will help you with all that.

¿Tuviste dificultades que enfrentar en el desarrollo de este proyecto en particular? Bueno, aún las tenemos, la forma en que se toman los datos, la forma de “estandarizar” los procesos. Son problemas que aún tenemos ya que en cierta medida, para que sean realizados de mejor forma, hay que hacer que el gremio cambie un poco sus prácticas (o al menos las hagan todos igual).

Did you find difficulties in the development of this project in particular? Well, we still find some: the way in which the data is taken, the way to “standardize” the processes. These are problems that we still are dealing with, because, to some extent, to solve them in the best way, we must make the profession change its practices (or that at least they all solved it the same way).

¿Cuáles son estas “malas prácticas”? No son “malas” practicas, sino que se basan en la experiencia pasada y en quienes “supuestamente” han tenido éxito, pero al parecer nunca se han realizado mediciones masivas y estandarización sobre las que pueden ser “las mejores” prácticas.

Which are these “bad” practices? These are not “bad” practices, but they are based on previous experience and in people that “presumably” has succeeded, but apparently, there have never been massive measurements and standardizations on what the “best” practices could be.

¿Piensas comercializar Khapto? Bueno, es un negocio, y como tal si queremos que llegue a la mayor cantidad de personas en el mundo, será necesaria su comercialización.

Do you intend to sell the Khapto? Well, it is a business, and as it is, if we want it to reach the largest number of people worldwide, its commercialization will be inevitable.

Khapto realiza mediciones a través de sensores electrónicos y luego envía la información a un software que la registra. Khapto makes measurements through electronic sensors and then sends the information to a software to record it.


28 / El descubrimiento por placer

¿Tienes planes de seguir potenciando Khapto o piensas desarrollar algo nuevo? Bueno, la idea de desarrollar cosas nuevas nos invade a diario, pero hay que centrarse en uno, quizás 2 y así ir trabajando, avanzando hasta que pueda auto sustentarse y seguir avanzando con otros proyectos, pero claro que hay otros proyectos en carpeta.

Do you plan to improve the Khapto or are you planning to work on something new? Well, the idea of working in new things come to us every day, but we must focus on one, maybe two and thus work, improve until it is able of support itself, and then work on other projects, and of course there are other projects in line.

¿Qué les dirías a los alumnos para que se motiven a investigar, a pesar de la carga académica y las actividades extra programáticas? No soy tan buen ejemplo, en mi caso, si no me hubiera dedicado 100% muchas de las cosas no habrían resultado, porque simplemente nadie del equipo tenía el tiempo necesario, pero en la universidad, me topé con otros trabajos extra programáticos y las clases y quizás a veces había que sacrificar algunos tiempos, como los fines de semana, quedarse hasta más tarde, armar los horarios con días “semi libres” o libres, de modo de poder trabajar y reunirse esos días. Al menos así, se puede avanzar más. Pero si realmente quieren y apuestan por algo, láncense, no hay otro momento, y si fallan, no es tan grave, un año, quizás dos, luego puedes retomar los estudios y terminar, o terminas todo ahora, y lo haces después… pero recuerden, siempre encontrarán un PERO para no hacerlo… así que el mejor consejo es “empiecen HOY”!

What would you say to the students to encourage them to do research, despite their academic load and extracurricular activities? I’m not such a good example. In my case, if I hadn’t dedicated myself 100% to it, many of the things wouldn’t have turned out, simply because nobody in the team had enough time; however, at the university I came upon other extracurricular works and the courses and maybe occasionally some time had to be sacrificed, such as the weekends, staying up late, make the schedules with “semi-available” or available days in order to work and meet those days. At least you can advance more that way. But if you really want and bet for something, go on, there is no other moment, and if you fail, it’s not that serious, a year or two, and then you can resume and finish your studies, or you can finish them now and do the research later... but remember, you will always find a reason not to do it... so the best advice is “begin TODAY!”

Algunos meses después de esta entrevista, Daniel postuló y recibió una beca parcial para participar del programa residencial de emprendimiento en Draper University durante el verano de 2016. Draper University es el programa líder en Silicon Valley para preparar a los próximos empresarios fundadores. Quienes participan de este programa reciben mentorías con emprendedores de primera categoría, CEO›s y directores de grandes empresas actuales de todo el mundo y de diversos rubros.

Some months after this interview, Daniel applied to the Residential Program in Entrepreneurship at Draper University, and obtained a partial scholarship to participate during the summer of 2016. Draper University is the top program in Silicon Valley to prepare the next company founders. The ones that participate in this program receive mentorship with top notch entrepreneurs, CEO’s and directors of big worldwide companies from different fields.

Para más información sobre Daniel y su emprendimiento, visita: www.khapto.cl/

For more information about Daniel and his venture, go to: www.khapto.cl/

Para más información sobre Draper University: http://www.draperuniversity.com/speakers

For more information about Draper University: http://www.draperuniversity.com/ speakers


Innovación en sus inicios / 29

Probar y atreverse: las claves del éxito para emprender Dare and try: the keys to succeed in entrepreneurship

Actualmente el proyecto funciona a escala piloto en mexicano el techo del edificio del Centro de Alumnos de Ingeniería. Trinidad recibió el premioiSolar “Model2Market” en el congreso RedEmprendia. Currently pilot scale of the award iSolar project operatecongress in the roof of the Student Council Building. Trinidad received theintalations “Model2Market” at the Mexican RedEmprendia.

“Muchas veces uno tiene miedo de probar y que no resulte. Obviamente nadie quiere fracasar, pero uno no pierde nada probando, porque detrás de ese probar hay mucho aprendizaje”. Es lo que le recomienda Trinidad Schlotterbeck a los alumnos que están pensando en emprender y desarrollar sus ideas. Por Romina López

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rinidad Schlotterbeck Suárez es alumna del departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, recién titulada de la Escuela de Ingeniería UC con Magíster en Ciencias de la Ingeniería. Durante su paso por la Escuela desarrolló DD-MOff, un emprendimiento que busca dar solución a la propagación del alga Didymo que afecta los ríos y lagos del sur de nuestro país.

“Many times one is afraid of trying and failing. Obviously, nobody wants to fail, but one does not lose anything by trying, because behind that effort, there is a lot to learn”. This is what Trinidad Schlotterbeck recommends to those students who are thinking about undertaking and developing their own ideas. By Romina López

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rinidad Schlotterbeck Suárez is a student of the Chemistry and Bioprocess Engineering department. She recently graduated from the UC Engineering School with a Master’s degree in Engineering Sciences. During her time at the School, she developed DD-MOff, a venture that seeks to solve the problem of Didymo algae propagation which affects the rivers and lakes in the southern part of our country.


30 / Innovación en sus inicios

A través del desarrollo de su emprendimiento, en el curso “Taller de Habilidades Ejecutivas: Creatividad en la Empresa”, de la profesora Nicole Moreau, fue seleccionada por el Demo Day de la Escuela para ir a Virginia, EEUU, donde obtuvo el premio The People’s Choice, para luego lograr el primer lugar en el área “Model2Market” del congreso mexicano Spin 2014 de RedEmprendia.

Through the development of her venture in the class “Executive Skills Workshop: Creativity in the Enterprise”, with professor Nicole Moreau, Schlotterbeck was selected by the School’s DemoDay to go to Virginia Tech, USA, where she obtained The People’s Choice Award. Afterwards, she achieved the first place in the area “Model2Market” in the Mexican conference Spin 2014 by RedEmprendia.

Por medio de su especialidad, pudo conocer lo que era la investigación desde bastante joven. Esta es una de las razones por las cuales más le gustaba su especialidad. Realizó su primer IPre cuando estaba en tercer año de ingeniería civil investigando sobre enfermedades celiacas, para luego introducirse en el mundo de los productos naturales apoyada por el profesor Ricardo San Martín, con quien desarrolló su tesis de postgrado.

Through her department, she got to know what research was quite early on, which is one of the reasons why she liked her specialty the most. She performed her first IPre (undergraduate research course) during her third year as a civil engineering student, where she focused on celiac diseases. Subsequently, she got involved in the world of natural products with the support of Professor Ricardo San Martín, with whom she worked on her graduate thesis.

Nos cuenta que hace muy poco salió publicado el paper, por lo que “el magíster tuvo buenos frutos”, dice.

She tells us that her paper was published just recently, so, according to her, “the Master’s program has paid off ”.

¿Cómo llegaste a la idea de desarrollar este producto relacionado con las algas? “Como ya me había metido en el laboratorio, cuando conocí lo que era el Didymo, el alga que afecta los ríos del sur de Chile, y vi que era tan invasiva, pensé en proponer una solución a partir de lo que había aprendido en el laboratorio.

How did you come up with the idea of developing this project related with algae? “Since I had already been in the laboratory, when I learned about Didymo (the algae that affects the rivers in the south of Chile) and realized how invasive it was, I thought about proposing a solution based on what I had learned in the lab.

Entonces empecé a probar, con distintos productos naturales, leyendo protocolos de cómo determinar si el Didymo estaba vivo o muerto. Los equipos y ensayos para determinar la viabilidad del alga eran bastante simples, lo que nos permitió ir probando varios productos hasta que con uno fuimos obteniendo resultados preliminares bastante buenos”. ¿Cuál fue el paso para seguir adelante? “Propusimos esta idea como proyecto para un curso de innovación con la profesora Nicole Moreau. Como el proyecto empezó a agarrar fuerzas de a poco, nos decidimos a postular al Demo Day de Ingeniería UC, ganamos y nos fuimos a EEUU. En dicho concurso ganamos el The People’s Choice de Universidad de Virginia Tech de Estados Unidos. Después asistí al congreso mexicano RedEmprendia logrando el primer lugar en el área “Model2Market”, lo que me permitió tener un poco más de recursos y seguir desarrollando más ensayos hasta tener un prototipo final un

Then I began to try with different natural products and reading protocols about how to determine if Didymo was dead or alive. The equipment and trials to determine the algae’s viability were quite simple, which allowed us to test various products until we got good preliminary results with one of them.” What was the next step? “We proposed this idea as a project for an innovation class with Professor Nicole Moreau. As the project gathered strength little by little, we decided to apply to the Engineering School’s Demo Day. We won and traveled to the US. In that competition we won The People’s Choice Award sponsored by Virginia Tech, USA. Then, I attended the Mexican conference RedEmprendia, obtaining the first place in the area “Model2Market”, which allowed me to have a little more resources and to continue developing more trials, as well to have a final prototype a bit more elaborated.


Innovación en sus inicios / 31

poco más elaborado. Es así como nace un poco la idea de ir generando productos naturales para evitar la expansión del Didymo”.

And that is how the idea of generating natural products to avoid the propagation of Didymo was born.”

¿Qué fue lo que te ayudo a poder juntar las cosas? “Cuando conocí el Didymo, comencé a averiguar y noté que era una célula con la cual podía trabajar y conocía potenciales productos que la podían destruir.

What helped you put things together? “When I learned about Didymo, I began to inquire and realized that it was a cell I could work with, and I knew potential products that could destroy it.

Nunca había estudiado en particular ese tipo de célula, pero sí había investigado otras cosas de esta área que me permitieron relacionar los distintos temas y probar para las células del Didymo en particular. Muchas veces uno no entiende el mecanismo de acción o qué es lo que va a pasar, pero si pruebas y obtienes buenos resultados, después se puede ir descifrando los mecanismos de acción, algo así como un ensayo y error”. ¿Siempre lo hiciste sola, o apoyada de algún grupo? “Siempre he tenido a personas trabajando conmigo que me han apoyado con el emprendimiento y me han ayudado con los conocimientos más teóricos. Yo encuentro que en general siempre hay mucha gente dispuesta a ayudarte cuando saben que uno está emprendiendo en algo tan técnico. Hay buena disposición, muy buena disposición. Yo nunca tuve ningún problema”.

I had never studied that type of cell in particular, but I had researched other topics in this area that allowed me to relate different ideas and try them on the Didymo cell in particular. Many times one does not understand the action mechanism or what is going to happen, but if you try it and obtain good results, you can decipher the action mechanism later, something like a trial and error.” Did you do this on your own, or did you have the support of a team? “I’ve always had people working with me who have supported my venture and have contributed with more theoretical knowledge. I’ve found that, in general, there are always many people willing to help when they realize one is venturing in something so technical. There is a lot of disposition, good disposition. I never had any problems.”

¿Qué fue lo más difícil? “Hay muchas cosas difíciles. Uno, lograr expresar un problema tan técnico a la gente que debiese darte plata para financiamiento, o que tú quieres, que sea tu aliado. Por lo general, la gente no sabe lo que es el Didymo, y si no has ido al sur probablemente, nunca lo has visto.

What was the hardest thing? “There are many difficult things. First, to be able to explain such technical problem to the people who are giving you money for funding, or whom you want to have as your allies. In general, people don’t know what Didymo is, and if you have not been to the south of Chile, you have probably never seen it.

Después el atreverse, porque siempre es complejo correr el riesgo con algo tan raro. Son pruebas y errores, donde uno parte sin saber si se va a lograr.

Then, to dare, because it is always complicated to take the risk with something so uncommon. They are trials and errors, where you start without knowing whether you will make it.

Y luego, saber escalar, algo que es tan desconocido. Con cada ensayo hay muchísimas variables desconocidas, además de todos los riesgos involucrados. De hecho, cada ensayo es un desafío en sí, ya que hay un impacto negativo detrás de cada error, al estar en riesgo el medio ambiente”.

And then, to know how to scale things up, something that is so unknown. With each trial, there are many unknown variables, in addition to all the risks involved. In fact, each trial is a challenge itself, as there is a negative impact behind each error because the environment is at risk.”


32 / Innovación en sus inicios

Trinidad Schlotterbeck junto a Mario Castillo, bioquímico UC que la ha ayudado en el desarrollo de DD-Moff. Trinidad Schlotterbeck with Mario Castillo, UC biochemist who has helped her in the development of DD-Moff.

¿Qué ha sido lo más gratificante? “La experiencia que uno agarra es impresionante. La confianza en uno mismo, en el equipo de trabajo y en lo que te da la Escuela para poder aplicar. De atreverte a aplicarlo y saber que probablemente uno se va a equivocar muchas veces, que no le va a resultar al tiro. Pero esa paciencia y perseverancia de seguir insistiendo es muy bueno. Y lo otro, siempre ganarse los premios es increíble, porque te valida que no estás haciendo el loco, que lo estás haciendo bien, que estas avanzando y creciendo.

What has been the most gratifying part? “The experience one gets is impressive: you trust in yourself, in your team, and in what the School teaches you to apply. You have to dare to apply it, and to know that one will probably make many mistakes, and that it is not going to work out the right away. But patience and perseverance to keep on going is a very good thing. Plus, winning the awards is always incredible, because it validates that you are not fooling around, that you are doing well, that you are moving forward, and that you are growing.

Lo que más uno gana es el aprendizaje para uno, el atreverte a pararte adelante y hacer un pitch, conocer gente, saber lo que es un pitch, emprender, que no es fácil, y también darte cuenta de qué es lo que te va gustando”.

The most important thing you get is personal knowledge: to dare to stand-up and make a pitch, to get to know people, to know what a pitch is, to venture, which is not easy, and also to begin realizing what it is that you like.”

Recomendación para los jóvenes que también quieran emprender y seguir tu camino. “Atreverse, siempre atreverse y tirarse a la piscina. Cuando uno tiene la idea, al menos probar, porque uno no pierde nada.

Recommendations you have for young people who want to venture and follow your steps. “Dare, always take the chance and “take a dive”. When you have an idea, at least try, because one doesn’t lose anything.

Yo siento que muchas veces uno tiene miedo de probar y que no resulte. Obviamente nadie quiere fracasar, pero uno no pierde nada probando, porque detrás de ese probar hay mucho aprendizaje.

I feel like many times one is afraid of trying and failing. Obviously, nobody wants to fail, but one does not lose anything by trying, because behind that effort, there is a lot to learn.

Así que sí, tirarse a la piscina e intentarlo, porque probablemente hay mucha gente que tiene muy buenas ideas pero no las desarrolla porque no se atreve o no busca la ayuda de la

So that’s it, dive in and take the chance, because probably there are a lot of people who have many good ideas, but do not develop them because they don’t dare or do not seek the help of the right people. And that’s the other


Innovación en sus inicios / 33

gente indicada. Y eso es otro, buscar un buen equipo que te apoye y que parta contigo, porque muchas veces en estas cosas que uno parte solo, no tienes plata ni gente que te ayude”.

thing, look for a good team that supports you and starts out with you, because many times in these things that one start up alone, there is no money or people to help one out.”

¿Cuál dirías que fue la clave del éxito? “Fue un poco de suerte. Yo creo que partir investigando en laboratorio desde que empiezas a estudiar, abre muchas puertas. Se amplían las redes más allá que solo la academia y lo que te enseñan los profesores en las aulas, porque metes las manos en la masa. Con esto es posible darse cuenta de que si te equivocas no es tan terrible, entonces en probar no pierdes nada, en el peor de los casos pierdes un par de horas.

What would you say was the key to your success? “A bit of it was luck. I think that doing research in the lab since I was a young student has opened a lot of doors. There, networks expand beyond academia and what professors teach you in the classroom, because you get practical experience. With this, it is possible to realize that if you make a mistake, it is not that terrible, which means that if you try, you don’t lose anything, or at worst, you lose a couple of hours.

Entonces eso, la confianza de probar. Con eso las cosas se van dando. Yo en particular, primero probé preliminarmente. Justo inscribí el ramo de innovación, en el cual presentamos el proyecto y fue agarrando vuelo.

So, it is confidence to take the chance. With that, things start working out. In my case, I first took an introductory course. I just enrolled in the innovation class, in which we presented the project and from there it took off.

Pero probablemente haya sido lo que dices tú, como ya me había metido en laboratorio, ya no me daba miedo agarrar una pipeta y probar el producto, ver lo que pasaba, leer un paper, ver el protocolo que usaban, ver si lo podía replicar yo en el laboratorio o darme cuenta que sí se podía. Ver, probar y probar otra vez y así ir armando”.

But probably, as you say, since I had already been in a laboratory, I was not afraid to grab a pipette and try out the product to see what happened. I was not afraid to read a paper, to check the protocol they used, to see if I could replicate it in the lab or to realize that it could be done. To check, to try again and again, and in that way, to keep growing.”

¿Cuál es tu proyección en el futuro, una próxima meta? “Vamos a mandar a externalizar las pruebas a un laboratorio, que si bien no está registrado (porque no hay registros), es conocido en el rubro del Didymo, para tener una validación externa. Y a partir de estos resultados evaluaremos cómo seguimos. Es importante este proceso de validación externa para que no seamos nosotros lo que aseguramos nuestros resultados.

What is your projection in the future, your next goal? “We are going to send the tests to a laboratory that, although not registered (because there is no registry), it is well known in the field of Didymo, in order to obtain external validation. And from those results, we will assess how to continue. The process of external evaluation is important so that we are not the ones guaranteeing our own results.

Quizás pensar más adelante en lo que haremos es mucho, la proyección es validarlo y ver qué hacemos. Idealmente tratar de seguir emprendiendo porque en estas cosas/áreas hay mucho que hacer.

Perhaps thinking in what we will do next is too much. Our idea is to validate it and see what we do from there. Ideally, to continue venturing because in these things/areas there is much to be done.

Referente a otros proyectos, me gustaría seguir emprendiendo, seguir probando, conociendo nuevas industrias y seguir metiéndome en más cosas, porque creo que como somos chicos todavía tenemos mucho que aprender para después usar y aplicar, probablemente seguir probando, aprendiendo nuevas ideas y, desarrollándolas”.

With regards to other projects, I would like to continue venturing, continue trying, getting to know new industries, and getting involved in more things, because I believe we are like “kids”, in the sense that we have much to learn still, to use and apply later, probably continue trying, and learning and developing new ideas.”


34 / Investigación con impacto social

Entrevista a Waldo Soto:

“Muchas de las investigaciones podrían ‘hackear’ el sistema, pero se quedan en la academia” Interview to Waldo Soto:

“Many of the investigations could hack the system, but they stay in the academy”

CoLab UC es un laboratorio de innovación social que busca fomentar y promover el espíritu emprendedor y la innovación social. CoLab UC is a laboratory of social innovation that seeks to encourage and promote entrepreneurship and social innovation.

Waldo Soto es oordinador de desarrollo del CoLab UC, laboratorio de innovación social de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Ellos buscan, promueven y fomentan el espíritu emprendedor y la innovación social desde la Escuela de Administración y del Centro de Innovación UC, junto con otros colaboradores del ecosistema. Dentro de sus ejes de trabajo más importante están la inserción de estudios salidos directamente de la academia a la aplicación en el mundo real.

W

Por Vicente Gardulski

aldo Soto es Ingeniero Comercial de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Co-fundador de diferentes iniciativas sociales enfocadas en el desarrollo

Waldo Soto is the development coordinator in CoLab UC, the social innovation laboratory of the Pontificia Universidad Católica de Chile. They search for, promote and encourage the entrepreneurial spirit and social innovation from the Management School and the UC Innovation Center, together with other collaborators from the ecosystem. Among their most important work areas is the incorporation of studies that come directly from the academy into the real world. By Vicente Gardulskick of GP

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aldo Soto is an economy expert from the Pontificia Universidad Católica de Chile. He is the co-founder of different social initiatives that are focused in the


Investigación con impacto social / 35

de tutorías en colegios vulnerables y fue mentor y coordinador general del programa Jump UC. Dentro de su labor como ayudante en el curso ‘Laboratorio de Emprendimiento Social e Innovación’ de la facultad de Administración fundó y ayudó a crear lo que es hoy el CoLab, laboratorio de Innovación Social de la Universidad, que cumple un rol fundamental en llevar las investigaciones desde la academia a la práctica.

Waldo Soto, coordinador de desarrollo del CoLab UC.

development of tutorials in vulnerable schools, and he was mentor and chief coordinator of the Jump UC program. During his time as assistant teacher in the course “Social Entrepreneurship and Innovation Laboratory” of the Business School, he founded and helped to create what nowadays is the CoLab, the Social Innovation Laboratory of the University, which fulfills a fundamental rol in taking the research from the academy into practice.

¿Cómo nace la iniciativa Waldo Soto, development coordinator del CoLab? Where does the CoLab at CoLab UC. “El CoLab parte el 2011 initiative come from? desde la Escuela de Administración con el “The CoLab began in 2011 in the Business profesor Sebastián Gatica, que en ese entonces School, when professor Sebastián Gatica, who estaba realizando su doctorado y se reúne con was working on his doctorate degree at that dos alumnos que éramos Gabriela Gatica y yo. time, got together with two students, Gabriela Ahí empezamos a crear un espacio distinto en la Gatica and I. We began to create a different universidad para canalizar todas las iniciativas space in the University in order to direct all que podían aprovecharse para acelerar el cambio the initiatives that could be used to accelerate social desde la Escuela de Administración. social change from the Business School. Partimos investigando qué era esto de la innovación social, y dentro de eso uno de los primeros trabajos que tuvimos fue ayudarle al Estado de Chile a descubrir que era esto de innovar en el ámbito social, y empezamos a prototipar algunas cosas. Por ejemplo, en 2013 con universidades de Antofagasta y de Santiago, armamos una escuela de innovadores sociales, que actualmente es un curso establecido con las tres universidades en Antofagasta. En 2012 empezamos a trabajar con pescadores artesanales en Valdivia y en eso empezó a escalar nuestro involucramiento en ese sector. Hoy en día gracias a esa gestión tenemos una red súper compleja en la que tenemos sentados en la misma mesa a WalMart, los pescadores artesanales– desde Coquimbo a Los Lagos–, el sindicato de pescadores artesanales, el Ministerio de Economía–a través de la Subpesca–, Fundación Chile, la Facultad de Ciencias Biológicas UC, Sernapesca, entre otros. Así de a poco empezamos a entender en que está la sociedad en el ámbito del emprendimiento social.

We began researching what exactly was meant by social innovation. Among one of the first jobs that we had was to help the Chilean Government discover what innovation in the social field was, and we began to prototype some things. For instance, in 2013, among some universities from Antofagasta and Santiago, we established a school for social innovators, which nowadays is an established course in the three universities from Antofagasta. In 2012 we began working with traditional fishermen in Valdivia, and from that our involvement in that area began to grow. Thanks to that event, now we have a very complex network where we count WalMart, the traditional fishermen -from Coquimbo to Los Lagos-, the traditional fishermen union, the Ministry of Economy -through the Undersecretariat of Fisheries-, Fundación Chile, the UC Faculty of Biological Sciences, Sernapesca, and many others. That’s how we began to understand, little by little, what’s going on in our society in the area of social entrepreneurship.

Lo que estamos haciendo es evaluar y ver cuáles de esos prototipos de los distintos sectores tienen mayor impacto o mayor potencial para definir cuáles podemos escalar”.

We are evaluating which of those prototypes of the different sectors has a major impact or highest potential, in order to determine in which one we could scale up.”


36 / Investigación con impacto social

Waldo Soto, Gabriela Carrasco y Sebastián Gatica son parte del equipo CoLab. Waldo Soto, Gabriela Carrasco and Sebastián Gatica are part of the CoLab team.

¿Qué importancia le da el CoLab a los grupos con los que trabaja? “Dado que estamos en la Universidad, el CoLab siempre ofrece un espacio de conversación, un espacio de reflexión. No es como cuando le pides ayuda al Estado, donde siempre hay un montón de papeleo que hacer; en el fondo, cuando llegan acá al CoLab, tú les das un espacio para conversar. Podríamos decir que son los mismos ejecutivos del Estado, que están atareados, que tienen un propósito de construcción social y que por burocracia no pueden hacerlo los que acuden a nosotros. Son actores que están cambiando el sistema por dentro, que necesitan una ayuda. En general a todos los sectores les damos un espacio de reflexión, de orientación, un poco ayudándoles con la pega y un poco haciendo reivindicaciones sociales-políticas. También les damos conexiones, una red de conexión entre los diferentes actores, donde por ejemplo en proyectos como los que tienen relación con Sernapesca se toma un decisión entre todos los actores y no solo con los más establecidos”.

How important are for you the groups that you work with? “In the University, the CoLab offers a space for conversation, a space for reflection. It’s not like when you ask the Government for help, where you have to do a lot of paperwork; basically when they get here, to the CoLab, you give them a space for conversation. We could say that it is the same executives of the government which are busy, that have a social construction purpose, but can’t carry it out because of the red tape, those that come to us. They are figures that are changing the system from the inside and need some help. Overall, we provide all sectors with a space for meditation, for orientation, helping them a little with their job and making some sociopolitical recognition. We also provide them with a contact network between the different stakeholders, for instance, in projects which are related with Sernapesca, the decisions are made between all the people involved, not just the most established ones.”

¿Cuál creen ustedes que es su rol dentro de la Universidad, qué beneficios traen a la red UC, a los proyectos que se están formando acá? “Por un lado potenciar el impacto de los proyectos que se están generando, las investigaciones que se están desarrollando a nivel Universidad. Muchas de ellas en verdad podrían hackear el sistema pero se quedan en la academia. Muchas de las investigaciones se quedan en la publicación pero no transfieren ese conocimiento. Una pega que

What do you think is your role inside the University? What benefits do you bring to the UC network, to the projects that are being formed here? “On the one hand, to strengthen the impact of those projects that are being generated, the research being done at a university level. Many of them could hack the system, but they stay within the academy. A lot of research is published but the knowledge is not transmitted. A task we do with teachers


Investigación con impacto social / 37

hacemos nosotros con profesores y alumnos de doctorado o incluso magíster es potenciar esas creaciones, esas ideas que se quedan en el paper, para que se transfieran a la sociedad. Por ejemplo hay un proyecto de medicina que se llama Epistemonikos–que busca usar las TI como herramienta de apoyo en la medicina–. Nosotros estamos ayudando para que escale, armando un modelo de negocio y este modelo escale a otras universidades, a los sistemas de salud en general.

and PhD students or even Master’s program students is to promote those creations, those ideas that are left in the paper, and to transmit them to our society. For example, there is a medical project called Epistemonikos, which aims to use IT as support tools in medicine. We are helping it to scale up, making a business model so it can be scaled to other universities and to health systems in general.

También trabajamos en diferentes proyectos en la Escuela de Ingeniería. En particular, un alumno de magíster, Félix Echevarría, está buscando mejorar el diseño de los atrapanieblas usados en el norte. Esto es una necesidad concreta en Coquimbo. Como somos muy buenos socios de la Universidad Católica del Norte en Coquimbo hicimos las gestiones y se financió ese proyecto con fondos del Gobierno Regional, lo que fue y es todo un logro.

We also work in different projects of the Engineering School. Particularly, there is a Master’s student, Félix Echevarría, that seeks to develop a better design for the fog collectors used in the North of the country. This is a real necessity in Coquimbo. As we are really good partners with Universidad Católica del Norte in Coquimbo, we made the arrangements, and the project was funded by the Regional Government, which was, and still is, a huge achievement.

Una parte muy importante de nuestro trabajo es conversar con las 18 facultades, ver qué es lo que las facultades tienen para impactar la sociedad y acelerarlo, potenciarlo. Eso se puede transformar en empresas sociales, se puede transferir en ONG, en proyectos y de muchas otras maneras, pero tiene que ir a la sociedad”.

An important part of our work is to talk with the 18 Faculties, to find out what do they have that could make an impact in society, and to speed it up, to foster it. That can evolve into social enterprises, it can be transmitted into an ONG, in projects, and in many other ways, but it must go into society.”

¿Qué tipo de investigaciones y empresas son las que buscan ayuda en el CoLab? “Por un lado tenemos empresas y por otro investigaciones. La mayoría son empresas con espíritu B, no necesariamente B, porque para ser B hay que tener certificación, pero también nos llegan grandes empresas. Empresas que dicen “estoy haciendo cosas por la responsabilidad corporativa, pero no me está sirviendo para nada, no tengo valor agregado ¿qué tengo que hacer ahora para poder compensar a la sociedad?” La empresa también se está redefiniendo, derribando paradigmas y en eso los ayudamos nosotros, a perdurar en el tiempo con un rol social bien definido. Es súper complejo para nosotros porque cualquier consultora podría hacer el trabajo, pero nuestro objetivo es generar bien social, entonces ahí tenemos que hacer bien la distinción entre quienes se acercan a nosotros para hacer green washing o por buscar a alguien que evalúe su impacto social de verdad”.

What kind of research projects and companies look for the help of CoLab? “In one side we have companies, and in another side we have research. Most of the companies have B corps spirit, but are not necessarily B corps, because they are not certified. But we also get big companies. Companies that say “I am doing things for our corporate responsibility, but they are not working at all. I’m not getting any added value. What should I do to be able to compensate society?” Companies are redefining themselves, deposing paradigms, and we are helping them doing so, to survive through time with a clear social role. It’s very complex for us because any consultancy firm could do our job, but our aim is to generate social good, so we must make a clear distinction between the ones that reach us to make green washing and the ones who to find someone to really evaluate their social impact.”

¿Qué oportunidades de investigación o trabajo existen para gente interesada en aportar socialmente? “La gente que pasa por el laboratorio es muy

What research or job opportunities are there for people interested in social contribution? “The people who have been to the lab are highly demanded by the environment, because


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apetecida por el ecosistema ya que hay pocas experiencias en trabajos de transferencia como los que hacemos acá en el CoLab. Todas estas nuevas empresas B que están apareciendo no tienen a nadie que forme profesionales para eso, entonces agradecen mucho que la gente pase por aquí, haga su practica en el laboratorio y luego se inserte en esto. Pero por otro lado hoy día tenemos una inquietud en particular de potenciar el impacto que la ingeniería está generando. Estamos evaluando armar un área que se llame CoLab for Sciences, potenciar en verdad lo que la ciencia está haciendo por Chile, potenciar lo que se está haciendo en los programas de magíster, en los doctorados, para que tenga un impacto en Chile. Tenemos la hipótesis de que llevando estos temas a la mesa y haciendo que la gente se preocupe por impactar y acelerar el desarrollo de las comunidades, se podrían girar las investigaciones que se están haciendo e impactar mejor”.

there are few experiences in transfer jobs as the one that we have here in the CoLab. All these new B corps that are appearing have no one to train professionals for this, so they really appreciate when people come here, do their internship in the laboratory, and become part of this. But on the other hand, nowadays we have a particular concern in promoting the impact that engineering is generating. We are evaluating the creation of an area that will be called CoLab for Sciences, to really maximize what science is doing for Chile, to maximize what’s being done in the Master’s programs, in the Ph.D. programs, to make impact in Chile. We have the hypothesis that if we make people aware of these topics and care about making an impact and accelerating the development of our communities, they could influence current research and have a greater impact.”

¿Cómo se proyectan como laboratorio en el mediano y largo plazo? “Lo que estamos tratando de hacer es abrir la conversación, compartirla con otros hemisferios, con otras personas en el mundo que estén viendo lo mismo y comenzar e iniciar algo ahí. Por ejemplo, en el último mes con el equipo estuvimos en China y en Perú, compartiendo conversaciones para iniciar algo con ellos, alguna iniciativa como el CoLab pero que sea fruto de una experiencia profunda de entendimiento de lo local. Estamos tratando de generar nuevas conversaciones para iniciar algo donde haya tierra fértil para hacerlo. En muchas conferencias se ha dicho que el futuro está en Latinoamérica, entonces también queremos tener buenas raíces acá para salir al mundo y transferir este nuevo modelo latino-americano que podemos crear”.

How do you see yourselves as a laboratory in the mid and long term? “What we are trying to do is to open the discussion, share it with other hemispheres, with other people in the world that are doing the same, and begin something there. For instance, we were in China and Perú last month sharing ideas to develop something with them, some initiative like the CoLab, but which is the result of a deep experience of local understanding. We are trying to generate new discussions to begin something wherever there is fertile ground to do so. In many conferences, it has been said that the future is in Latin America, so we also wish to plant good roots here in order to go worldwide, and transmit this new Latin American model that we can develop.”

¿Han trabajado con otras universidades? ¿Se proyectan a lograr algo así? “Nuestro foco es la Universidad, primero, pero a segundo nivel nos interesa el ecosistema universitario en general. Porque la universidad va a cambiar en la medida que el ecosistema cambie también, las cosas se cambian por dentro y por fuera. Por eso en Coquimbo, la investigación que tenía Félix Echevarría en el Magister de Ingeniería se ha mezclado con proyectos de muchos profesores de la Universidad Católica del Norte. Se ha ido potenciando. Qué saldrá de ahí, no sabemos todavía, pero sí nos interesa mucho recoger y ver cómo interactuamos con el ecosistema”.

Have you worked with other universities? Do you plan to achieve something like that? “First, our focus is the University, but in a second instance, we would be interested in the university environment in general. Because the university is going to change as the environment also changes, things changed from within and without. That’s why in Coquimbo, Felix Echevarría’s research for the Master’s program has links with projects of many professors from the Universidad Católica del Norte; it has been strengthen. What will come out of that, we don’t know yet, but we are very interested in collecting information and finding out how we interact with the environment.”


Investigación con impacto social / 39

Escuela de Ingeniería UC

Hacia una Universidad con sello verde UC Engineering School

Towards a green seal certified University

Actualmente el proyecto iSolar funciona a escala piloto en el techo del edificio del Centro de Alumnos de Ingeniería. Currently pilot scale intalations of the iSolar project operate in the roof of the Student Council Building.

Crear una conciencia sustentable entre alumnos y profesores es uno de los objetivos de la Oficina de Sustentabilidad de la UC. Esta oficina anhela convertirse en una incubadora de proyectos de alto impacto y un referente en temas de sustentabilidad a nivel universitario y nacional. Por Cristina Contreras

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urante el 2011 se creó la Oficina de Sustentabilidad UC, algo que partió como iniciativa de alumnos y que en principio se conocía como ‘Consejo Ecológico UC’. El objetivo fundamental de esta oficina es levantar con más fuerza una propuesta de sustentabilidad, alineada con su plan de desarrollo estratégico. Es tal la importancia de la Oficina de Sustentabilidad, que no depende

One of the objectives of the UC Sustainability Office is to create sustainability awareness among students and teachers. This office longs to become an incubator of high-impact projects and a benchmark in sustainability at the university and national levels. By Cristina Contreras of GP

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uring 2011 the UC Sustainability Office was created from what started as an initiative from the students and was known as “UC Ecological Board”. The main objective of this office is to actively develop a sustainability proposal within the University, aligned with its strategic development plan. Such is the importance of the Sustainability Office that it does not depend on one


40 / Investigación con impacto social

de una unidad académica en particular, sino que depende de la Prorrectoría. Esto le permite tener un mayor alcance al interior de la Universidad, ya sea en actividades académicas como operacionales en los distintos campus y también instituciones afiliadas como la Fundación Duoc UC, Red de Salud UC CHRISTUS, Club Deportivo, entre otras.

academic unity in particular, but on the Office of the Provost. This allows it to have a wider reach within the University, whether it be at an academic level, such as operational activities at different campuses, or in affiliated institutions, such as the Duoc UC Foundation, UC CHRISTUS Health Network, the Sports Club, etc.

La Escuela de Ingeniería actúa en apoyo de esta oficina a través de su propia Subdirección de Sustentabilidad. El objetivo de esta subdirección es crear conciencia sustentable en la Escuela, y al mismo tiempo, situarla como incubadora de proyectos de alto impacto, que logren contribuir a la construcción de una sociedad amigable con el medio ambiente. Para esto, no solo se trabaja “desde arriba”, sino que también se trabaja con los alumnos y se les invita a convertirse en agentes activos de cambio. Actualmente, en la Escuela existen muchos proyectos de investigación, tanto de profesores como de alumnos que han querido hacerse parte de este proceso.

The Engineering School supports this office through its own Sustainability sub division. The aim of this sub division is to promote sustainability awareness in the School, and at the same time, position itself as an incubator of high impact projects that contribute to the construction of an environmentally friendly society. In order to do this, we don’t only work with ”top down” initiatives, but we also work with students, and we invite them to become active agents of change. Currently, the School has many research projects by teachers and students who wanted to be part of this process.

Uno de los desafíos de la Escuela de Ingeniería ha sido cómo “aterrizar” estos proyectos y transformarlos en algo tangible y visible para el resto de la comunidad. Un proyecto emblemático corresponde a los paneles fotovoltaicos en la Escuela (iSolar), que hoy en día funcionan a modo de piloto sobre el edificio del Centro de Alumnos de Ingeniería, aportando cerca del 30% del consumo del edificio (20 MWh anuales aprox.). La implementación fue el mayor desafío tras la creación del proyecto. La idea original de los alumnos era instalar los paneles sobre el techo de Ingeniería Mecánica, sin embargo, durante la marcha se dieron cuenta de que la estructura del edificio no daría abasto para los paneles. Luego de ese ‘pequeño’ problema, los alumnos replantearon la situación, y resolvieron que el edificio del Centro de Alumnos era mejor, tanto en infraestructura como en la dirección en que podían ser instalados los paneles. Esto les permitiría captar la mayor cantidad de radiación diaria posible. El proceso fue prueba y error, pero finalmente, los alumnos pueden ver hoy en día el resultado de un proceso de investigación no menor. Otra de las demostraciones de que la Universidad – y la Escuela – avanzan en temas de sustentabilidad es el actual edificio

One of the challenges the School is facing is that it hasn’t been able to “settle” these projects and turn them into something concrete and visible to the rest of the community. An emblematic project is the Photovoltaic Panels of the School (iSolar), that today operate in pilot mode at the Engineering Student Council building, contributing with close to 30% of the building’s consumption (20 MWh annually aprox.). Implementation was the biggest challenge after the project began. The students’ original idea was to install panels on the roof of the Mechanical Engineering building; however, during the implementation they realized that the building’s structure wouldn’t be able to cope with the panels. After this “small” problem, the students reconsidered the situation and decided that the Student Council building was better, both because of its infrastructure and of the direction in which the panels could be installed. This would allow the panels to receive the greatest quantity of radiation possible everyday. The process was trial and error, but finally, the students can see today the result of an important research process. Another evidence that the University and School are improving regarding sustainability is the current building of the department of Mining Engineering, the Andrónico Luksic Abaroa Complex, which was intended as a sustainable building. The fact that most of


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del departamento de Ingeniería de Minería, el Complejo Andrónico Luksic Abaroa, que fue pensado desde su concepción como un edificio sustentable. El hecho de que la mayor parte de la construcción sea subterránea otorga aislación geotérmica, lo que reduce notablemente los costos de calefacción al interior del edificio. Otro de los proyectos se implementó en el edificio Raúl Devés a través del reemplazo de iluminaria por LED. En este proyecto también se agregaron los films necesarios para que el edificio esté monitoreado a través del SmartGrid de la Universidad. SmartGrid es una plataforma que fue lanzada por la UC, con el apoyo de la Escuela de Ingeniería, en octubre de 2015. El objetivo es medir el consumo eléctrico de cada uno de los edificios de la Universidad, inclusive el campus Villarrica. El sistema permite observar en tiempo real el consumo de todas las subestaciones, y de este modo, la comunidad universitaria se puede hacer parte de este cambio de mentalidad hacia una “cultura más verde”. La plataforma es pública (smartgrid.uc.cl), por lo que cualquier persona que ingrese a la página, y observe que un día en la noche el consumo de cierto edificio es muy alto en relación con los demás, puede dejar un reclamo o sugerencia para que la situación se revise. Por otra parte, la Universidad y la Escuela están adscritas desde el año 2012 a un Acuerdo de

its structure is underground means it has geothermal insulation, which significantly reduces the heating costs inside the building. Another project was implemented in the Raúl Devés replacing original lightbulbs by LED lighting. Additionally, the project incorporated the necessary sensors to monitor the building through the University’s SmartGrid. SmartGrid is a platform that was launched in 2015 by UC with the support of the Engineering School. The objective is to measure the electrical consumption of each building of the University, including the one at Villarrica. The system allows the realtime observation of the consumption of all the sub-stations. In this way, the university community can become part of this mindset change towards a “culture of sustainability”. The platform is public (smartgrid.uc.cl), so any person that enters the page, and sees that one night a building’s consumption is much greater compared to that of other buildings, can leave a complaint or suggestion in order for the situation to be examined. On the other hand, since 2012 the University and the School are affiliated to the Clean Production Agreement promoted by the Clean Production National Council. The main objective of this agreement is to take an institutional step in order to support a sustainability policy as a central axis, whether it be at an operational, teaching,

SmartGrid es un sistema medición en línea del consumo de energía. SmartGrid is an online measurement system of the electrical consumption.


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Producción Limpia impulsado por el Consejo Nacional de Producción Limpia. El objetivo principal de este acuerdo es dar un nuevo paso institucional para adherir a una política de sustentabilidad como eje transversal, ya sea a nivel operacional, de docencia, de investigación y de extensión. La idea es que la Universidad de se convierta en un “Laboratorio Vivo”, para lo cual se requiere el desarrollo de diversos proyectos académicos, tales como prácticas, memorias o tesis de alumnos, que impulsen la sustentabilidad en el contexto universitario. Adicionalmente, la Universidad cuenta con diversos puntos de reciclaje en todas las Facultades, administrados por la empresa TriCiclos – una empresa B certificada –, y también con un gran punto limpio en donde se reciben más de doce tipos de residuos. La idea nació desde Ingeniería, en donde se piloteó el proyecto, y al ver que era factible, se llevó a nivel Universidad. Otro de los proyectos interesantes en este tema, es el Vermicampus. En este proyecto se utiliza la lombricultura para transformar los residuos orgánicos en fertilizantes naturales para las áreas verdes de la Universidad, especialmente para el campus San Joaquín. El proyecto se monitorea para que en un futuro se puedan optimizar las técnicas utilizadas. En este proyecto trabajan voluntarios, tesistas y también practicantes de diversas carreras. Entre otras iniciativas, también se cuenta con nuevas vías señalizadas para los ciclistas y los estacionamientos para bicicletas inaugurados el año pasado. En este proyecto la participación

Durante el año 2015, se inauguró el punto limpio de Casa Central. En este recinto se reciben distintos tipo de aluminio, PET, papel y vidrio. During 2015, the clean spot of Casa Central was inaugurated. In this enclosure different type of aluminum, PET, paper and glass are received.

research or extension level. The idea is that the University becomes a “Live Laboratory”, which requires the development of diverse academic projects, such as practices, students’ thesis or projects that motivate sustainability in a university context. Additionally, the University counts with different recycling spots in every Faculty, which are managed by TriCiclos company - a B certified company -, and also a huge clean spot where more than twelve kinds of waste are received. The idea came from Engineering, where the project was monitored, and when they realized it was feasible, it was taken to a University level. Another of the interesting projects in this subject is the Vermicampus. This project uses vermiculture to turn organic waste into natural fertilizers for green areas in the University, especially for San Joaquin Campus. The project is monitored so that in the future the techniques used can be improved. Volunteers, thesis students, and practitioners from different degrees work in this project. Among other initiatives, we have the new biking routes and parking lots inaugurated last year. The participation of volunteers has been essential for this project, because they collaborated in the construction of the Bike Garage at San Joaquin Campus, and they help as “Bike mechanics” occasionally. During this year, in addition, we have the second version of the course Introduction to Sustainability (Introducción a la Sustentabilidad (ING2045)), a


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En la primera cosecha de Humus se obtuvieron 180 kg de producto, los cuales se utilizarán en la reforestación del campus. The first harvest of Humus yielded 180 kg of product, which will be used in the reforestation of the campus.

de voluntarios ha sido clave, ya que ellos mismos colaboraron en la construcción del Taller de Bicicletas del Campus San Joaquín, y en ocasiones prestan ayuda como los ‘mecánicos de bicicletas’. Durante este año, además, se dictará la segunda versión del curso Introducción a la Sustentabilidad (ING2045), curso multidisciplinario – o transdisciplinario, como lo llaman en la Oficina de Sustentabilidad – en donde ven la sustentabilidad desde distintos enfoques: ingeniería, derecho, sociología, geografía, entre otros. Así, los alumnos adquieren las herramientas necesarias y pueden escoger en qué área colaborar. Sin duda, en la Universidad se requiere de equipos multidisciplinarios que colaboren con la visión de la Oficina de Sustentabilidad, de modo que el tema de la sustentabilidad no solo se quede en lo operacional, sino que alcance todos los niveles organizacionales de la Universidad. La Oficina de Sustentabilidad aspira a cambiar los hábitos de las personas, de modo que más adelante las Unidades Académicas sean las responsables de los temas operacionales propios de cada una de ellas. Para más información visita sustentable.uc.cl

multidisciplinary course - or crossdisciplinary, as it is called at the Sustainability Office - where students see sustainability from different perspectives: engineering, law, psychology, geography, among others. In this way, students acquire the necessary tools and can choose an area to collaborate. There is no doubt that the University requires multidisciplinary teams that collaborate with the Sustainability Office’s vision, so the sustainability topic is not only present in operations, but reaches all the organizational levels of the University. The Sustainability Office aspires to change people habits, so later on the Academic Units can be responsible of their own operational issues. For more information, go to sustentable.uc.cl (in Spanish).


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Ingeniería 2030: Una Escuela de nivel mundial al servicio del país Engineering 2030: A world class School at the service of Chile

El proyecto Ingeniería 2030 es el actual plan estratégico de la Escuela de Ingeniería UC. Engineering 2030 is the current strategic plan of the Engineering School at UC.

Loreto Valenzuela y Patricia Galilea, profesoras de la Escuela de Ingeniería UC, participan activamente del proyecto Ingeniería 2030. En este artículo nos invitan a conocer más de cerca qué se está haciendo para posicionar a nuestra Escuela dentro de las más importantes a nivel mundial. Por Constanza Ljubetic

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ngeniería 2030 es un proyecto conjunto entre la Pontificia Universidad Católica de Chile y la Universidad Técnica Federico Santa María (USM), y que cuenta con el apoyo de CORFO (Corporación de Fomento de la Producción). El objetivo principal del proyecto es posicionar a través de la excelencia académica a ambas instituciones dentro de las 50 mejores a nivel mundial para el año 2030.

Loreto Valenzuela and Patricia Galilea, professors at the UC Engineering School, participate actively in the project Engineering 2030. In this article, they invite us to learn more about what is being done to position our School among the most important schools worldwide. By Constanza Ljubeticf GP

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ngineering 2030 is a joint project between the Engineering Schools of Universidad Católica de Chile (UC) and Universidad Técnica Federico Santa María (USM), financed by CORFO -Corporación de Fomento de la Producción, or Corporation for the Promotion of Production-. Its main goal is to position both engineering schools as world class institutions, reaching academic excellence and achieving


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La iniciativa nace como una respuesta al llamado del Gobierno chileno, a través de CORFO, de proponer un plan para una nueva Ingeniería, de clase mundial, hacia el año 2030, y a través de éste proceso impactar directamente al desarrollo del país. El fondo permitirá hacer inversión en diversos ámbitos, tales como investigación, emprendimiento, interdisciplina, intercambio académico, internacionalización, entre otros. La propuesta de Ingeniería UC y la USM titulada “The Clover 2030 Engineering Strategy” consta de cinco pilares: Transformar la enseñanza y el aprendizaje de la ingeniería; Enfrentar los grandes desafíos de la sociedad; Articular redes académicas y de emprendimiento a nivel mundial; Construir una organización de clase mundial; y Consolidar nuevos vínculos con la sociedad. En cada pilar hay profesores y profesionales de ambas casas de estudio trabajando por desarrollar las actividades y proyectos involucrados. Para conocer más sobre este ambicioso proyecto, dos profesoras de la Escuela de Ingeniería UC contaron su experiencia: Patricia Galilea, profesora del departamento de Ingeniería de Transporte y Logística, y Loreto Valenzuela, profesora del departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos. Ambas trabajan en la internacionalización del currículo de pregrado, uno de los aspectos claves del proyecto Ingeniería 2030.

international recognition among the most important engineering schools in the world. This initiative was born in 2013 as a response to a call from the Chilean government through CORFO to propose a plan for a new worldclass engineering towards 2030, and, through this process, directly impact the country’s development. The fund will allow them to make investments in different areas, such as research, ventures, interdisciplinary activities, academic exchange, and internationalization, among others. The proposal of UC Engineering School and USM, entitled “The Clover 2030 Engineering Strategy”, has five pillars: Reform the teaching and learning of engineering; Undertake society’s great challenges through research; Articulate academic networks and venturing at a global level; Build a world-class organization; and Promote new links with society. In each pillar, there are professors and professionals from both universities working to develop the activities and projects involved. To know more about this ambitious project, two professors from the UC Engineering School talked about their experience: Patricia Galilea, professor at the Transportation and Logistics Engineering department, and Loreto Valenzuela, professor at the Chemical and Bioprocess Engineering department. Both work in the internationalization of the undergraduate curriculum, one of the key aspects of the Engineering 2030 project.

LA EXPERIENCIA DE PATRICIA GALILEA

THE EXPERIENCE OF PATRICIA GALILEA

Respecto al primer pilar del proyecto, ¿a qué se refieren específicamente con transformar la enseñanza y el aprendizaje en ingeniería y qué objetivos tienen? “Esto va muy ligado al tema de las competencias, pero dentro del área donde yo estoy participando estamos trabajando en la creación del currículo en inglés. La idea es internacionalizar la Escuela, que haya más interés de alumnos de otros países porque actualmente los estudiantes de intercambio no suelen venir a nuestra Escuela, en su mayoría, son pocos, toman cursos de otras carreras”.

With regards to the first pillar of the project, what do you mean by “reform the teaching and learning of engineering” specifically, and what are the goals? “This is strongly linked to the issue of skills, but within the area in which I am involved we are working on developing a curriculum in English. The idea is to internationalize the School, to create more interest in foreign students, because exchange students that come here usually don’t come to our School; there are a few, but they take courses from other majors.”

¿Son pocos los estudiantes de intercambio en Ingeniería? “En comparación con otras facultades, nosotros somos los que menos cursos en

Are there few exchange students in engineering? “In comparison to other faculties, we are the ones that offer the least amount of courses in English.


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inglés ofrecemos. Tenemos la idea de ofrecer más cursos en inglés para atraer alumnos de diversas partes del mundo, quizás no tenemos estudiantes de otras lenguas porque la oferta no ha sido amplia. Y también es importante ofrecer esos cursos para nuestros alumnos, esto les sirve para su propia internacionalización. Si, por ejemplo, quieren hacer un postgrado en el extranjero o quieren trabajar en una empresa internacional, esto les ayudará bastante”.

We want to offer more classes in English to attract more students from different parts of the world. Maybe we don’t have students who speak other languages because we don’t offer enough classes in English. And it is also important to offer those classes for our own students. This is useful for their own internationalization. For example, if they decide to do a postgraduate program abroad or want to work in an international organization, this will help them out a lot.”

Imagino que tendrán que trabajar en conjunto con las personas encargadas de la formación de inglés que ofrece la UC. “Sí, estamos en conversaciones con English UC. Tenemos un 34% de alumnos que no pasa los cursos de inglés y eso es algo preocupante. English UC ofrece siete cursos para el aprendizaje del idioma. Pero esto significa que el alumno estará alrededor de tres años mejorando su inglés, por lo tanto es algo que tenemos que tener en consideración, y sobre todo preocuparnos por los estudiantes del programa Talento e Inclusión. Hay que nivelar a los alumnos que tienen desventajas en este idioma.

I imagine you would have to work jointly with the people in charge of English education at UC. “Yes, we are in talks with the English UC program. We have a 34% of students that can’t pass classes in English and that is worrisome. English UC offers seven courses to learn the language. But this means that the student will take about three years to improve his English skills, so this is something we have to take into consideration, and foremost worry about students in the Talent and Inclusion program. We must level those students who are at a disadvantage in this language.

Sin embargo, yo he hecho cursos en inglés y a pesar de que varios alumnos no saben que el curso se dictará en inglés y no tienen tan buen manejo del idioma, al final logran sacar adelante el ramo. Depende de cómo uno haga las clases y de las facilidades que ofrezca, yo les entrego las clases impresas y les doy un glosario inglés-español”.

Nevertheless, I have taught classes in English, and despite many students not knowing that the class will be taught in English and not having a good command of the language, in the end they are able to come through. It depends on how one teaches the classes and the support one offers; I give them the content of my classes printed and an English-Spanish glossary.”

¿Hay otros ámbitos dentro de Ingeniería 2030 en que esté participando? “Bueno yo también trabajo en el currículo invisible en emprendimiento. Les hemos dado mucho énfasis a los alumnos de la generación 2013 al tema del emprendimiento y la innovación. El currículo invisible es algo que no es formal, no es un curso que se toma, corresponde a actividades no obligatorias como charlas, concursos y otras cosas que la Escuela ofrece que son instancias donde los estudiantes viven experiencias enriquecedoras ligadas al emprendimiento y la innovación. Un ejemplo de esto es Brain Chile, un programa para la aceleración de emprendimientos de base científicotecnológica que nació en nuestra Escuela y se expandió a todo el país.

Are there other areas of Engineering 2030 in which you are involved? “Well, I am also involved in the area of the invisible curriculum in venturing. We have given significant focus to the areas of venture and innovation for the students of the class of 2013. The invisible curriculum is not something formal, is not a class you have to take, but it corresponds to non-mandatory activities such as talks, competitions, and other things that the School offers for the students to experience enriching opportunities linked to start ups and innovation. An example of this is Brain Chile, a program we began in our School for the acceleration of science and technology startups and that has now expanded to the whole country.

También estamos mejorando la integración entre alumnos de la UC y de la USM, es decir que nuestros alumnos hagan cursos allá y viceversa”.

We are also improving the integration between students from UC and from USM, that is, for our students to take classes there and vice-versa.”


Proyectos de la Escuela / 47

Loreto Valenzuela y Patricia Galilea trabajan en el área de internacionalización del currículo de pregrado. Loreto Valenzuela and Patricia Galilea work in the area of internationalization of the undergraduate curriculum.

¿Qué proyectos hay para los próximos años? “Son millones de proyectos. Se lanzó un plan para definir qué cosas vamos a hacer de aquí a cinco años, de aquí a diez años, de aquí a veinte años. Nosotros hablamos de hitos, por ejemplo yo estoy estudiando qué cursos tienen potencial para ser dictados en inglés. Busqué cursos específicos para cada minor y major, y estamos tratando de abarcar todas las áreas para que ningún alumno se quede sin hacer un curso en inglés”.

What projects are there for the upcoming years? “There are millions of projects. A plan was launched to define what things we are going to do five years from now, ten years from now, and twenty years from now. We talk about milestones. For example, I am analyzing what courses can be taught in English. I looked for specific courses for each minor and major, and we are trying to encompass all the areas so that no student is left without having taken a class in English.”

LA EXPERIENCIA VALENZUELA

THE EXPERIENCE VALENZUELA

DE

LORETO

¿Cómo está estructurado el proyecto Ingeniería 2030? “Básicamente el proyecto 2030 se ha hecho como la metáfora de un trébol de cuatro hojas y su tallo. Las hojas son los cuatro primeros pilares del proyecto, donde uno de ellos tiene que ver con la educación en pregrado, otro tiene que ver con la investigación y la innovación, otro con la gestión de la Universidad y el cuarto tiene que ver con interdisciplina y las redes. El quinto pilar es el “tallo”, que es el enlace con la sociedad, cómo uno responde a problemas de la sociedad y cómo interactúas con la sociedad. Yo en particular estoy involucrada con el primer pilar. Ese pilar tiene varias áreas y una de ellas es la internacionalización del currículo de

OF

LORETO

How is Engineering 2030 structured? “Basically, project 2030 is shaped like the metaphor of a four-leaf clover and its stem. The four leaves are the first four pillars of the project, in which one has to do with undergraduate education, another one with research and innovation, another one with the University management, and the fourth one with inter-discipline and networks. The fifth pillar is the stem, which is the link to society, how one responds to society’s problems and how to interact with society. In my case, I’m involved with the first pillar. That pillar has many areas, and one of them is the internationalization of the undergraduate curriculum. Its goal is for undergraduate students to be exposed to more opportunities


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El trabajo realizado durante el primer año de proyecto fue evaluado en “The Clover 2030 International Advisory Board Meeting” en enero de 2016. The work performed during the first year of the project was evaluated in “The Clover 2030 International Advisory Board Meeting” in January 2016.

pregrado. Esto tiene como fin que los alumnos de pregrado estén expuestos a más posibilidades y competencias útiles para el mundo globalizado y que el mundo exterior pueda acercarse a nosotros y ser parte de esta experiencia. Esto también está asociado a la investigación de pregrado, ya sea que alumnos nuestros vayan a realizar pasantías de investigación afuera o alumnos de afuera que vengan acá. Es muy positivo que el Journal I3 pueda tener justamente una edición en inglés para ser una ventana hacia los alumnos extranjeros, para que así puedan saber más sobre lo que se hace aquí en la Universidad. Además, buscamos fomentar esta interacción e internacionalización en contacto y colaboración con la USM. En 2015, José Miguel Aguilera comenzó a dictar un curso de Ingeniería Gastronómica que se trata de cómo aplicar la ingeniería dura a cosas tan cotidianas como la cocina. En ese curso participaron 20 alumnos de la UC y aproximadamente diez alumnos de la USM”. Sobre los otros pilares, ¿hay áreas en particular que se quieran potenciar? “Hay áreas potentes que tienen que ver con cómo incorporar el emprendimiento y la innovación transversalmente y no solamente con cursos. Entonces tratamos de incluir esto en todos los aspectos de las cosas que hacemos.

and useful competitions in the global world, and that the external world can come to us and become part of this experience. This is also associated with undergraduate research, whether it is with our students doing research fellowships abroad or foreign students coming here for fellowships. It is very positive that Journal I3 can have a version in English to act as a window for foreign students for them to know more about what we do here at the University. We also look forward to fostering this interaction and this internationalization in contact and collaboration with USM. In 2015, José Miguel Aguilera taught a class in gastronomic engineering. It is basically about applying hard engineering to daily things, such as cooking. The course was attended by 20 UC engineering students and approximately ten students from USM.”

About the other pillars, are there any particular areas you want to foster? “There are strong areas related to how to integrate venturing and innovation transversely and not only with classes. So, we try to include this in all the aspects of the things we do. You realize how innovations


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Tú te das cuenta de cómo la innovación y emprendimiento están en el subconsciente de la Escuela, lo vemos, por ejemplo, cuando buscamos resolver problemas sociales y eso motiva líneas de investigación”. ¿En este momento en qué estado se encuentra el proyecto? “Estamos ya en el segundo año del proyecto. El principal desafío del primer año fue presentar los equipos de trabajo de ambas universidades, planificar y coordinar nuestras actividades conjuntas e individuales. Hemos recibido un feedback bastante bueno con lo hecho hasta ahora. El desafío del segundo año es continuar la implementación y reforzar los proyectos actuales. Ya no solo soñar si no transformar esos sueños en realidades. Por ejemplo este piloto de un curso replicarlo para otros cursos, sacar versiones en inglés del Journal, hacer que Brain Chile siga creciendo y obteniendo financiamiento”.

and venturing are in the School’s subconscious; we see it, for example, when we seek to solve social problems and that inspires lines of research.” In this moment, what is the status of the project? “We are now in the project’s second year. The main challenge during the first year was introducing the teams from both sides, planning and coordinating our joint and individual activities. We have received a very good feedback with what we have done to date. The challenge for the second year is to continue the implementation and enhance current projects. Not just to dream, but to transform those dreams into reality. For example, replicate this pilot class into other courses. The idea is to get English versions of the Journal (note from the editor: The English version of this journal IS a result of this work), and that Brain Chile continues to grow and attains sustainable funding.”


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06


Investigaciones de los alumnos / 51

Investigaciones de alumnos / Students’ research


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Utilización de sílice para mejorar el rendimiento de celdas de combustión microbiana en suelos Use of silica to improve soil microbial fuel cell efficiency in soils

Natalia Tapia1, Alumna de 6to año Claudia Arauzo2, Alumna de 5to año Francisco Guzmán1, Alumno de 4to año Ignacio Vargas1*, Profesor Asistente

Natalia Tapia1, 6th year student Claudia Arauzo2, 5th year student Francisco Guzmán1, 4th year student Ignacio Vargas1*, Assistant Professor

1 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile * Autor de correspondencia: itvargas@ing.puc.cl

1 Department of Hydraulic and Environmental Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Department of Chemical and Bioprocesses Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile * Corresponding author: itvargas@ing.puc.cl


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RESUMEN

ABSTRACT

Las celdas de combustión microbiana (en inglés, MFC) son una nueva biotecnología para producir energía limpia a partir de la transformación de residuos y/o materia orgánica en electricidad. Recientemente, dispositivos MFC han sido utilizados como bio-baterías para entregar energía a sensores y monitorear parámetros químicos, tales como: temperatura y oxígeno disuelto en agua, suelo y sedimentos. Sin embargo, la generación de corriente depende de la conductividad eléctrica del medio. El objetivo de este artículo es evaluar el uso de sílice como una estrategia para optimizar el rendimiento de un dispositivo MFC, mediante una mejora del transporte de iones entre electrodos insertos en suelos con una baja conductividad. Aunque los resultados no muestran una diferencia significativa en la generación de energía entre reactores con y sin adición de sílice, el enriquecimiento del suelo acelera la puesta en marcha de los reactores e incrementa la cantidad de energía química transformada en electricidad. En consecuencia, el enriquecimiento del suelo con sílice podría ser usado para mejorar el rendimiento temprano de dispositivos MFC en suelos urbanos con baja conductividad y alto contenido de materia orgánica.

Microbial fuel cell (MFC) is a novel biotechnology to produce clean energy by transforming waste and/or organic matter into electricity. Recently, MFC devices have been used as bio-batteries to power sensors and monitoring chemical parameters, such as temperature, and dissolved oxygen in water, soil and sediments. However, the applicability of this technology is restricted by the electrical conductivity of the medium. The objective of this paper is to evaluate the use of silica as a strategy to optimize the performance of a MFC device by improving the transport of ions between electrodes in soils with low conductivity. Although the results showed no significant differences in power generation between reactors with and without silica addition, the soil enrichment accelerates the start-up of the reactors together with an increase in the amount of chemical energy converted into electricity. Hence, silica enrichments of soil could be used to improve the early performance of MFC devices in urban soils with low conductivity and high organic matter content.

Palabras clave: Microbial fuel cells, sílice, conductividad

Keywords: Microbial fuel cells, silica, conductivity

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La búsqueda de nuevas fuentes de energía ha impulsado el desarrollo de tecnologías nuevas y sustentables que permitan diversificar la matriz energética. En este contexto aparecen las celdas de combustión microbiana o microbial fuel cells (MFC), sistemas bioelectroquímicos que transforman la energía química presente en residuos en energía eléctrica por medio de la acción de bacterias electroquímicamente activas [1, 2]. La utilización de sedimentos, suelos o sustratos orgánicos en estos sistemas permite a las bacterias generar energía a partir de la materia orgánica contenida en este. Sin embargo, uno de los principales problemas son las bajas densidades de potencia eléctrica obtenidas, lo cual se debe principalmente a la elevada resistencia interna del sistema, que entre otras cosas, se encuentra determinada por la conductividad del medio. Por este motivo, los MFCs construidos con sedimentos marinos, que poseen una elevada concentración de electrolitos, y por ende, una mayor fuerza iónica [3], presentan densidades de potencia que alcanzan los 50-100 mW m-2 [4]. Por el contrario, en MFCs construidos con suelos no salinos la potencia no supera los 30 mW m-2 [4]. Esta limitación motiva la búsqueda de alternativas para mejorar la conductividad

The search for new sources of energy has fostered the development of new sustainable technologies to diversify the energy grid. This is the context in which microbial fuel cells (MFC) - bioelectrochemical systems that transform the chemical energy contained in waste into electrical energy by means of the action of electrochemically active bacteria - appear [1, 2]. The use of sediments, soils or organic substrates in these systems allows the bacteria to generate energy from organic matter present in them. However, one of the main problems are the low electrical power densities obtained, mainly because of the system’s high inner resistance, which is determined by the soil conductivity, among other factors. For this reason, MFCs made with marine sediments, which possess a high amount of electrolyte, and thus, a greater ionic strength [3], present power densities that reach 50-100 mW m-2 [4]. On the contrary, in MFCs made with non-saline soils, the power does not surpass 30 mW m-2 [4]. This limitation encourages the search for alternatives to improve the electrical conductivity, in order to use this new biotechnology in low conductivity soils with a high energy potential due to their organic matter content.


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eléctrica que permitan utilizar esta nueva biotecnología en suelos con baja conductividad pero con un alto potencial energético por su contenido de materia orgánica. La sílice, un compuesto con alta afinidad química por las moléculas orgánicas y el agua, y un efectivo fertilizante en la agricultura [5, 6], ha mostrado ser una alternativa para reducir la resistencia del medio, mejorando el transporte de iones, y por ende, la conductividad en suelos donde ésta es baja. Según lo reportado por Domínguez-Garay et al. [4], al reaccionar con el agua presente en el sedimento, la sílice es convertida en un gel capaz de acumular cargas, donde la presencia de grupos negativamente cargados ofrece una vía preferencial para el paso de iones [4]. El objetivo de esta investigación es estudiar el efecto que ejerce la sílice en el funcionamiento de un sistema compuesto de un sustrato/suelo comúnmente empleado en la construcción de áreas verdes en nuestras ciudades. Para ello se ensayaron reactores con y sin sílice, además de distintas concentraciones de este aditivo.

Silica, a compound with high affinity with organic molecules and water and a very efficient agricultural fertilizer [5, 6], has proven to be an alternative to reduce soil resistivity, improving ions transportation and conductivity in soils where they are low. According to Domínguez-Garay et al. [4], when it reacts with the water contained in the sediment, silica turns into a gel that is capable of accumulating charges, where the presence of negatively charged groups offers a preferential road for ions to go through [4]. The objective of this research is to study the effect of silica in the operation of a system composed of substrate/soil usually used in the construction of green areas in our cities. In order to do so, tests with reactors with and without silica, as well as with different concentrations of this additive, were performed.

2. EXPERIMENTACIÓN O METODOLOGÍA

2. EXPERIMENTATION OR METHODOLOGY

Para los suelos con una concentración fija de sílice se utilizó el conjunto clásico de productos MudWattTM MFC (Keego), con el cual se construyeron cuatro reactores (Figura 1), cada uno con 0,27 L de suelo enriquecido con: 13 g L-1 de acetato de sodio, 6,5 g L-1 de CaCO3, 13 mg L-1 de NH4Cl y 13 mg L-1 de K2HPO4. A modo de enriquecer las comunidades microbianas presentes en el suelo, se agregó un mezcla de dos inóculos provenientes del lodo de una planta de tratamiento de alimentos y de un estanque utilizado como pulmón de riego del Campus San Joaquín (PUC). Esta mezcla fue incubada durante 1 semana a 30 °C, luego de lo cual a dos reactores se les agregó 1,6 mg de sílice por gramo de suelo, dejando a los restantes como control, y se procedió a conectar a cada uno una resistencia de 1.000 ohm, cerrando el circuito externo de la MFC (ver Principio Científico).

For soils with a fixed silica concentration, the traditional MudWattTMMFC (Keego) combination of products was used, with which four reactors were built (figure 1), with 0.27 L of enriched soil each: 13 g L-1 of sodium acetate, 6.5 g L-1 of CaCO3, 13 mg L-1 of NH4Cl and 13 mgL-1 of K2HPO4. In order to enrich the microbial communities in the soil, a mixture of two inoculums from the mud of a food treatment plant and from a pond used as a irrigation source from San Joaquin Campus (PUC) was added. This mixture was incubated for a week at 30 °C, after which 1,6 mg of silica per gram of soil was added to two reactors, leaving the others for control, and then all of them were connected to a 1000 ohm resistance, closing the MFCs external electrical network (see scientific principle).

En cuanto a los suelos con distintas concentraciones de sílice, estos fueron enriquecidos con acetato de sodio, CaCO3, NH4Cl y K2HPO4, en las mismas concentraciones antes mencionadas. Además, como inóculo solo se utilizó el lodo proveniente del fondo del estanque, lo que implica una menor diversidad de microorganismos, y por ende, probablemente una menor capacidad para degradar el sustrato. Con esta mezcla se construyeron cinco reactores, utilizando como electrodos de fieltro de carbón los suministrados por el conjunto MudWattTM MFC (Keego), donde a cuatro de ellos se les agregó una concentración de 1, 1,6, 2,6 y 3,5 mg sílice por gramo de suelo respectivamente. Finalmente, todos los reactores MFC fueron conectados a una resistencia de 1.000 ohm. El efecto que genera la adición de dos donadores de electrones distintos en los reactores con distinta concentración de sílice

Regarding soils with different silica concentrations, these were enriched with sodium acetate, CaCO3, NH4Cl and K2HPO4, in the same quantities aforementioned. In addition, only the mud coming from the bottom of the pond was used as inoculum, which implies a lower diversity of microorganisms, and thus, probably a lower capacity to deteriorate the substrate. Five reactors were built with this mixture, using as carbon felt electrodes the ones provided by the MudWattTM MFC (Keego) group, where a concentration of 1, 1,6, 2,6, and 3,5 mg of silica was added to four of them respectively. Finally, all the MFC reactors were connected to a 1.000 ohm resistance. The effect generated by the addition of two different electron donors in the reactors with different silica concentration was measured through the addition of 5 mL of a 0.28 M of sodium acetate solution, and then 5 mL of a 0.22 M glucose solution.


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Figura 1. Microbial Fuel Cells utilizando suelos con y sin sílice. Figure 1. Microbial Fuel Cells using soils with and without silica.

fue medido a través de la adición de 5 mL de una solución 0,28 M de acetato de sodio, y posteriormente 5 mL de una solución de glucosa a 0,22 M.

In order to evaluate the performance of each reactor, the current intensity of each one was calculated according to Ohm’s Law:

Para evaluar el desempeño de los reactores se calculó la intensidad de corriente para cada uno a partir de la Ley de Ohm:

V=I

V=I×

R

(1)

Donde, V es el voltaje en volt, I la intensidad de corriente en amperes y R la resistencia medida en ohm. El voltaje fue obtenido a partir del registro realizado utilizando un sistema de recolección de datos Keithley 2700. La densidad de corriente fue calculada en base al área del ánodo. Adicionalmente, para caracterizar estos reactores se utilizó la curva de potencia y de polarización, para las cuales se varió la resistencia externa desde 1 hasta 30.000 Ohm, utilizando 1, 10, 50 y 100 ohm, y luego rangos de 100 entre 100 ohm y 400 ohm, de 1.000 entre 1.000 ohm y 5.000 ohm, y de 2.500 entre 5.000 ohm y 10.000 ohm. Posteriormente, la potencia fue calculada a partir de:

P = V × I

(2)

×R

(1)

Where V is the voltage in volt, I the current intensity in ampere, and R the resistance measured in ohm. The voltage was obtained from the register made using a Keithley 2700 data compilation system. The current density was calculated based on the anode area. Additionally, a curve of power and polarization was used to characterize these reactors, for which the external resistance was modified from 1 to 30,000 Ohm, using 1, 5, 50 and 100 ohm, and then rates of 100 between 100 ohm and 400 ohm, of 1,000 between 1,000 and 5,000 ohm, and of 2,500 between 5,000 and 10,000 ohm. Afterwards, the power was calculated from:

P=V×I

(2)

Where P is the power in Watts, V is the voltage in volt and I is the current intensity in ampere.

Donde P es la potencia en Watts, V el voltaje en volt e I la intensidad de corriente en amperes. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

A partir de los datos registrados durante 70 días (Figura 2), se apreció que la adición de sílice permite que el sistema inicie su funcionamiento de manera más rápida comparado a los reactores MFC que carecen del compuesto. Como es de esperarse, este inicio acelerado conlleva a un agotamiento temprano del donador de electrones, lo que queda registrado en una disminución dramática de la corriente alrededor del día 48, mientras que los reactores que carecen del compuesto presentan esta disminución alrededor del día 55. No obstante,

From the data registered during 70 days (Figure 2), it could be observed that the addition of silica allows the system to initiate its functioning faster in comparison with the MFC reactors that do not use the compound. As expected, this accelerated start leads to an early exhaustion of the electron donor, which is registered in a dramatic reduction of the current near the 48th day, meanwhile the reactors that lack the compound show this reduction close to the 55th day. However, it is not possible to appreciate a difference in the


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Figura 2. Densidad de corriente de los reactores durante los primeros 70 días de funcionamiento. Figure 2. Reactor current density during the first 70 functioning days.

no es posible apreciar una diferencia en la intensidad de corriente ya que en el caso de los reactores con sílice, la máxima densidad de corriente observada fue de 17,5 mA m-2 mientras que en los sin sílice fue de 18 mA m-2. Por otra parte, la presencia de períodos cortos en donde la densidad de corriente es negativa indica un flujo de electrones en la dirección contraria, en donde la reducción del aceptor, probablemente distinto al oxígeno, ocurre en el electrodo inferior. La curva de potencia (Figura 3) en los reactores con una concentración fija de sílice mostró una densidad de potencia máxima similar entre los reactores: 6,66 y 6,32 mW m-2 para los reactores con sílice y 6,16 y 5,84 mW m-2 para los reactores sin sílice. Por otra parte, a partir de la curva de polarización (Figura 3) es posible estimar el máximo voltaje que puede ser obtenido por el sistema, el que corresponde a 0,34 y 0,43 V para los reactores con sílice y 0,34 y 0,42 V para los reactores sin sílice. Los resultados de este test corroboran lo observado en el funcionamiento de los reactores (Figura 2), sugiriendo que el efecto de la sílice en la producción de corriente, corresponde a un aceleramiento en la puesta en marcha del sistema y no necesariamente una mejora en su capacidad para producir energía.

current intensity because the maximum current density observed in the reactors with silica was 17.5-2 whereas in the reactors with no silica, it was 18 mA m-2. On the other side, the presence of short periods, where the current density is negative, indicates an electron flow in the opposite direction, where the reduction of the acceptor, probably different from oxygen, occurs in the inferior electrode. The power curve (Figure 3) in the reactors with a fixed silica concentration showed a similar maximum power density to that of the other reactors: 6.66 and 6.32 mW m-2 for the rectors with silica, and 6.16 y 5.84 mW m-2 for the reactors with no silica. However, from the polarization curve (Figure 3), it is possible to estimate the maximum voltage that can be obtained by the system, which corresponds to 0.34 and 0.43 V for the reactors with silica and 0.34 and 0.42 V for the reactors with no silica. The results of this test corroborate what was observed in the reactors functioning (Figure 2), suggesting that the effect of silica in current production correspond to an acceleration in the start-up procedure, and not necessarily an improvement in their energy production capacity.

Figura 3. Curva de potencia (izquierda) y de polarización (derecha) de los reactores con y sin sílice realizada a partir de la aplicación de una solución de acetato de sodio 0,28 M. Figure 3. Power curve (left) and polarization curve (right) of the reactors with and without silica made from a 0.28 M sodium acetate solution application.


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Figura 4. Densidad de corriente a distintas concentraciones de sílice. Figure 4. Current density in different silica concentrations.

En los reactores con distinta concentración de sílice (Figura 4), durante los primeros 30 días se observa una diferencia entre la densidad de corriente de cada uno de ellos. Esto indica que a mayor concentración de sílice se desarrollaría una mayor densidad de corriente ya que los máximos correspondientes a las concentraciones de 0, 1, 1,6, 2,6 y 3,5 mg g-1 de sílice son 3,8, 8, 11,8, 10,2, y 14,4 mA m-2 respectivamente, a excepción del reactor con 2,6 mg de sílice por gramo de suelo, el cual presenta un valor menor al reactor con 1,6 mg de sílice por gramo de suelo.

During the first 30 days, there is a difference in the current density in the reactors with different silica concentrations (Figure 4). This indicates that in a higher silica concentration, a higher current density would develop, since the maximums that correspond to a 0, 1, 1.6, 2.6 and 3.5 mg g-1 silica concentration are 3.8, 8, 11.8, 10.2, and 14.4 mA m-2 respectively, except for the reactor with 2.6 silica mg per gram of soil which presents a lower level than the 1.6 silica mg per gram of soil. These results do not correlate with the ones obtained by Domínguez-Garay et al. [4], because the ideal concentration mentioned by these researchers (1.6 silica mg per gram of soil) does not show a higher current density compared to the rest. Yet, it must be considered that the composition of the soil used in this study differs from the work done by Domínguez-Garay et al. in certain aspects [4], as it can be observed in Table 1. Considering that the effect of silica was observed in very low conductivity soils (0,2 mS -1), it is probable that, because it is much higher in the substrate used in this study, the effect will not be the same.

Estos resultados no se correlacionan con los obtenidos por Domínguez-Garay et al. [4], puesto que la concentración óptima señalada por estos investigadores (1,6 mg de sílice por gramo de suelo) no presenta una mayor densidad de corriente comparada a las restantes. No obstante, hay que considerar que la composición del suelo utilizado en este estudio difiere en ciertos aspectos del trabajo realizado por Domínguez-Garay et al. [4], tal como se puede apreciar en la Tabla 1. Considerando que el efecto de la sílice fue observado en suelos con una muy baja conductividad (0,2 mS cm-1), es probable que al ser mucho mayor en el sustrato empleado en este estudio, el efecto no sea el mismo.

The current curve integral related to time is a good indicator of the number of electrons that is being transformed from organic substrate into electric current. Thus, it is possible to form an idea of the system’s efficiency if the area under the corresponding curve is calculated in each of the curves of Figure 4 (Table 2). It can be observed from this calculation that the higher concentration of silica per soil gram, the more the area increases (except the 2.6 silica mg per soil gram reactor), which would indicate a higher efficiency in the use of electrons for current production.

La integral de la curva de corriente en función del tiempo es un buen indicador de la cantidad de electrones que están siendo convertidos desde el sustrato orgánico a corriente eléctrica. De esta manera, se puede también tener una noción de la eficiencia del sistema si se calcula el área bajo la curva correspondiente a cada una de las curvas de la Figura 4 (Tabla 2). A partir de este cálculo se observa que, a mayor concentración de sílice por gramo de suelo, el área incrementa (a excepción del reactor con 2,6 mg sílice por

Table 1. Physiochemical Characterization of the soil used in the construction of reactors. Sand (%)

Silt (%)

Clay (%)

pH

Electrical Conductivity (mS cm-1)

Organic Matter (%)

In this study

67

20

13

7.4

2.5

2.8

Domínguez-Garay et al. [4]

30

18.9

32.1

8

0.2

0.2


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Table 2. Area under each of the corresponding different silica concentration curves from Figure 3. Area

0 mg g-1

1 mg g-1

1.6 mg g-1

2.6 mg g-1

3.5 mg g-1

19.54

43.86

88.01

39.07

192.89

gramo suelo), lo que indicaría una mayor eficiencia en el uso de los electrones para la producción de corriente. Al comparar las áreas de las curvas de la Figura 2 y 4, se observa que a la misma concentración de sílice (1,6 mg g-1), las áreas de la Figura 2, correspondientes al primer experimento, son bastante mayores a las de la Figura 4. Esto indicaría que la eficiencia en el uso de electrones para la producción de corriente fue mayor en el primer caso, lo que podría ser consecuencia de la diferencia entre los inóculos utilizados. Como los primeros reactores fueron enriquecidos con dos tipos de inóculos, estos presentarían una mayor diversidad de microorganismos comparado a los segundos reactores, por lo que probablemente presentan una mayor capacidad para degradar el sustrato. La adición de dos donadores de electrones distintos (acetato de sodio y glucosa), parece causar diferencias entre los reactores ya que se genera un leve retardo en la utilización de glucosa en el reactor que carece de sílice, al contrario de los que sí contienen sílice (Figura 5). Sin embargo, esto no ocurre con la aplicación de la solución de acetato de sodio, lo que podría indicar que la sílice acelera o permite que el sistema inicie su funcionamiento más rápidamente en un principio, pero que luego no tiene un efecto considerable sobre los reactores. Además, la glucosa, al ser un compuesto más complejo que el acetato, se degrada más lentamente, lo que probablemente ocasiona un retardo en la generación de corriente como consecuencia de su consumo. Esta diferencia puede observarse en el reactor

When the curve areas of Figure 2 and 4 are compared, we note that, in relation to the same silica concentration (1.6 mg g-1), the areas in Figure 2, corresponding to the first experiment, are quite higher that the ones in Figure 4. This would indicate that the efficiency in the use of electrons for current production was higher in the first case, which could be a consequence of the difference between the inoculums used. When the first reactors were enriched with two kinds of inoculums, these would present a higher microorganism diversity compared to the second reactors, so they probably present a higher capacity to degrade the substrate. The addition of two donors of different electrons (sodium acetate and glucose) seems to cause differences in the reactors, as there is a slight delay in the use of glucose in the silica-free reactor, contrary to what happens to the ones that contain silica (Figure 5). However, this does not occur when sodium acetate is used, which could indicate that silica accelerates or allows the system to initiate its functioning faster at the beginning, but it does not have any considerable effect on the reactors later on. Besides, glucose, being a more complex compound than acetate, is degraded more slowly, which probably provokes a delay in the generation of current as a consequence of its consumption. This difference can be observed in the control reactor. However, this response is not seen in the silica reactors, which suggests that this compound could affect microbial communities, causing a degradation acceleration.

Figura 5. Densidad de corriente luego de la adición de acetato de sodio en el día 72 y de la adición de glucosa en el día 107. Figure 5. Current density after the addition of sodium acetate in the 72nd day and the addition of glucose in the 107th day.


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control. No obstante, esta respuesta no se observa en los reactores con sílice, lo que sugiere que este compuesto podría influir en la comunidad microbiana provocando un aceleramiento en su degradación.

On the other hand, the development of a higher current density is expected when glucose is added, because glucose provides a higher number of electrons to the system compared to acetate.

Por otra parte, el desarrollo de una mayor densidad de corriente en el caso de la adición de glucosa es esperado, puesto que la glucosa suministra una mayor cantidad de electrones al sistema comparado al acetato. 4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Los resultados obtenidos indican que la sílice no tiene un efecto considerable sobre la densidad de corriente de los reactores que contienen el compuesto. Esto se vio reflejado no solo durante el periodo de funcionamiento sino que también en la curva de potencia y polarización, en donde la diferencia entre la máxima densidad de potencia de cada uno de ellos no fue significativa. No obstante, la adición de sílice pareciera acelerar la puesta en marcha del sistema, permitiendo un consumo más acelerado del sustrato.

The results gathered indicate that silica has no considerable effect over the current density of the reactors containing the compound. This was not only seen reflected during the functioning period, but also in the power and polarization curve, where the difference between the maximum power densities of each one was not significant. However, silica addition seems to accelerate the system’s start-up procedure, allowing an accelerated consumption of the substrate.

Para el caso de los reactores con distinta concentración de sílice, se logró apreciar un ligero incremento en la densidad de corriente a medida que se aumenta la concentración. También se registró un aumento en el área bajo la curva. Esto indica que la sílice permitiría que una mayor cantidad de electrones, producidos a partir de la oxidación de la materia orgánica, sean destinados a la generación de corriente. Además, al comparar las áreas bajo la curva de los reactores del primer y segundo experimento, se pudo apreciar que la diferencia entre los inóculos utilizados genera una mayor eficiencia en el uso de electrones cuando existe una mayor diversidad de microorganismos. En consecuencia, la sílice podría acelerar el funcionamiento de los reactores. Además, la mayor concentración de sílice generaría una mayor eficiencia en el uso de electrones para la producción de corriente durante la fase inicial de funcionamiento. Esto proporcionaría una mejor performance de los reactores MFC empleando suelos con bajas conductividades, lo que ampliaría el rango de tipos de sedimentos o suelos que pueden ser utilizados en su construcción, incluyendo aquellos que presentan vegetación puesto que la sílice no generaría efectos adversos.

In the case of different silica concentration reactors, a slight increase in the current density could be observed as the concentration increased. An increase in the area under the curve was also registered. This indicates that silica would allow a higher quantity of electrons produced from organic matter oxidation to be destined to current generation. In addition, when the areas under the curves of the first and second experiment are compared, it could be seen that the difference between the inoculums used generates a higher efficiency in the use of electrons when a higher microorganism diversity is present. As a consequence, silica could accelerate the reactor’s functioning. Furthermore, a higher silica concentration would generate a higher efficiency in the use of electrons to produce current during the initial working phase. This would provide a better performance of the MFC reactors used in low conductivity soils, which would extend the scope of sediments or soils that can be used in their manufacturing, including those that present vegetation, because silica would not cause any adverse effects.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Se agradece al profesor Carlos Bonilla por entregar la información referente a la caracterización fisicoquímica del sustrato utilizado para la construcción de los reactores. Este trabajo fue financiado por el proyecto Fondecyt 11110112 y el Programa de Investigación en Pregrado de la Vicerrectoría de Investigación de la UC, versión 2013. Finalmente, este trabajo se enmarca en el proyecto de desarrollo de microbial fuel cells del Centro de Desarrollo

Thanks are due to professor Carlos Bonilla for the information concerning the physiochemical characterization of the soil used in the construction of the reactors. This work was financed by Fondecyt project 11110112 and the 2013 Undergraduate Investigation Program of the Research Vicerectory of the UC (Programa de Investigación en Pregrado de la Vicerrectoría de Investigación de la UC). Finally, this work belongs to the microbial fuel cells development project of the Centro


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Urbano Sustentable (CEDEUS), proyecto FONDAP 15110020.

deDesarollo Urbano Sustentable (CEDEUS) (Sustainable Urban Development Center), FONDAP project 15110020

Glosario

Glossary

Densidad de potencia eléctrica: Corresponde a la potencia eléctrica normalizada por el área de la superficie del electrodo. Electrolito: Sustancia que se ioniza cuando se disuelve en un solvente adecuado. Fuerza iónica: Medida de la concentración de iones presentes. Incubar: Acción mediante la cual se coloca una sustancia a determinadas condiciones para fomentar el crecimiento de los microorganismos presentes en ella. Inóculo: Microorganismos que se agregan a un medio de cultivo o reactor biológico. Microbial fuel cells: Celda de combustión microbiana en donde las reacciones de oxidación y reducción son catalizadas por microorganismos. Pilis microbianos: Estructuras de forma alargada que se encuentran en la superficie de algunas bacterias, permitiendo la fijación a ciertas superficies como también el traspaso de material genético y electrones entre bacterias. Pulmón de riego: Fuente que suministra el agua para riego.

Electric power density: It corresponds to the electric power normalized by the electrode surface area. Electrolyte: Substance that is ionized when the appropriate solvent is dissolved. Ionic strength: Measurement of the concentration of the ions present. Incubate: Action by which a substance is put in certain conditions to foster the growth of microorganisms present in it. Inoculum: Microorganisms that are added to a growth media or biological reactor. Microbial fuel cells: Microbial combustion cell where oxidation and reduction reactions are catalyzed by microorganisms. Microbial pili: Extended structures that are found in some bacteria surface, allowing the fixation of certain surfaces, as well as the movement of organic matter and electrons among bacteria. Irrigation source: Source that provides irrigation water.

Principio científico

Scientific principle

Las Microbial Fuel Cells (MFCs) son sistemas bioelectroquímicos que transforman la energía química presente en el suelo a energía eléctrica, por medio de la acción de bacterias electroquímicamente activas. Estas bacterias tienen la capacidad de ceder electrones a un aceptor externo por medio de la acción de mediadores químicos, por el contacto directo o por la acción de pilis microbianos con capacidades conductivas [7].

Microbial Fuel Cells (MFCs) are bioelectrochemical systems that turn chemical energy in the soil into electric energy through the action of electrochemically active bacteria. These bacteria are able to transfer electrons to an external acceptor through the action of chemical mediators, by the direct contact or action of microbial pili, which possess conductive capacities [7].

Los microorganismos oxidan anaeróbicamente la materia orgánica presente en el ánodo, cediendo los electrones al electrodo, los cuales fluyen a través de un circuito hasta llegar al cátodo, mientras que los protones son transportados a través del suelo. En el cátodo los electrones son utilizados para la reducción del aceptor final de electrones, que en este caso es el oxígeno (Figura 6).

The microorganisms anaerobically oxidize the organic matter in the anode, giving its electrons to the electrode, which flow through a circuit until they reach the cathode, whereas the protons are transported through the soil. Electrons are used for the reduction of the last electron acceptor in the cathode, which in this case is oxygen (Figure 6).


Investigaciones de los alumnos / 61

Figura 6. Esquema de una Microbial Fuel Cells construida a partir de suelos, en donde el donador y aceptor de electrones son la materia orgánica presente en suelo y el oxígeno, respectivamente. Figure 6. Model of a Microbial Fuel Cell made from soils where the electron donor and acceptor are the organic matter in the soil and oxygen, respectively.

REFERENCES [1] KUMAR, G.G. et al. “Recent advances and challenges in the anode architecture and their modifications for the applications of microbial fuel cells”. Biosensors and Bioelectronics, 2013, vol.43, p. 461-475. [2] LOGAN, B.E., et al. “Microbial fuel cells: methodology and technology”. Environmental Science & Technology2006, vol. 40, no. 17, p. 5181-92. [3] LIU, H. et al. “Power generation in fed-batch microbial fuel cells as a function of ionic strength, temperature, and reactor configuration”. Environmental Science & Technology2005, vol. 39, no. 14, p. 5488-5493. [4] DOMÍNGUEZ-GARAY, A., et al. “Silica colloid formation enhances performance of sediment microbial fuel cells in a low conductivity soil”. Environmental Science & Technology,2013, vol. 47, no.4, p. 2117-2122. [5] LIANG, Y., et al. “Mechanisms of silicon-mediated alleviation of abiotic stresses in higher plants: A review”. Environmental Pollution, 2007, vol. 147, no.2, p. 422-428. [6] GUNTZER, F. et al. “Benefits of plant silicon for crops: a review”. Agronomy for Sustainable Development, 2012, vol. 32, no. 1, p. 201-213. [7] LOGAN, B.E. “Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells”. Nature Reviews Microbiology, 2009, vol.7, no.5, p. 375-381.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Natalia Tapia

Claudia Arauzo

Francisco Guzmán

Ignacio Vargas


62 / Investigaciones de los alumnos

28 / Investigaciones de los alumnos

Evaluación preliminar del recurso energético disponible en el canal de Chacao Preliminary evaluation of the energy resources available at Chacao channel

Daniel Gajardo1, Alumno de 6to año Rodrigo Cienfuegos1, Profesor Asociado Maricarmen Guerra2, Alumna de doctorado Cristián Escauriaza1*, Profesor Asistente

Daniel Gajardo1, 6th year student Rodrigo Cienfuegos1, Associate Professor Maricarmen Guerra2, Doctoral candidate Cristián Escauriaza1*, Assistant Professor

1 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Civil and Environmental Engineering, University of Washington * Autor de correspondencia: racienfu@ing.puc.cl

1 Department of Hydraulic and Environmental Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Civil and Environmental Engineering, University of Washington * Corresponding author: racienfu@ing.puc.cl


Investigaciones de los alumnos / 63

RESUMEN

ABSTRACT

Este artículo desarrolla un modelo numérico unidimensional para simular las condiciones hidrodinámicas y las corrientes de marea en el canal de Chacao, ubicado en la X Región de Chile. El principal objetivo de este estudio es usar esta simulación para evaluar preliminarmente el potencial energético disponible en esta zona, el que puede ser aprovechado mediante dispositivos de extracción de energía marina del tipo turbina. El estudio no se basa en un diseño de turbina en específico, sino que representa estos dispositivos mediante una disminución de la cantidad de movimiento del flujo. Los resultados obtenidos también pueden ser utilizados y comparados con modelos más complejos y contribuyen a tener una mejor comprensión de los fenómenos hidrodinámicos predominantes en el lugar de estudio. Además, se pretende validar este modelo como una herramienta simple para realizar una primera aproximación al recurso energético de zonas con una geografía similar al canal de Chacao. Para lograr lo anterior se utilizó como referencia un modelo desarrollado por Blanchfield et al. [1], validando su aplicación con soluciones analíticas, datos de terreno y casos de estudio. La aplicación del modelo al canal de Chacao entregó que la velocidad media del flujo en condiciones naturales del canal es de 1,85 m s-1, con una velocidad máxima de 2,79 m s-1. En cuanto al potencial energético del lugar, se encontró que este es de aproximadamente 1.075 MW. Este valor disminuye a 468 MW cuando se busca conservar el 90% del caudal que circula naturalmente por el canal.

This article develops a one-dimensional numerical model capable of simulating hydrodynamic conditions and tidal currents occurring in the Chacao Channel, located in the X Region of Chile. The main objective of this study is to use this simulation to preliminarily evaluate the tidal energy resource available in this area, which can be extracted through marine energy converters. The study is not carried out for a specific marine energy converter, but represents them as a force acting in the fluid, extracting momentum from it. The results obtained contribute to a better understanding of the hydrodynamics processes present in the study area and can also be compared with more complex models. In adition, the authors intend to validate this model as a simple tool capable of estimating preliminarily the tidal energy potential of sites with similar geographic characteristics to the Chacao Channel. The model developed by Blanchfield et al. [1] was used as a reference, validating its application with analytical solutions, field data and study cases. The application of the model to Chacao Channel resulted in an along channel velocity mean of 1.85 m s-1 and a maximum of 2.79 m s-1. Regarding the channel’s tidal energy potential, it was found that this location has a resource of approximately 1,075 MW. This value decreases to 468 MW when 90% of the natural flow is conserved.

Palabras clave: Energía marina, energías renovables no convencionales, modelos numéricos.

Keywords: Marine energy, non-conventional renewable energy, numerical models.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La creciente preocupación por el calentamiento global y el medioambiente, además del aumento sostenido de la demanda de energía a nivel mundial, han incentivado la búsqueda y estudio de nuevas tecnologías limpias y sustentables para la generación de electricidad [2]. Actualmente en Chile las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) más desarrolladas son la eólica y la solar, con un 39% y un 21% de la matriz ERNC chilena [3], respectivamente. Sin embargo, la obtención de energía asociada a fenómenos marinos ha emergido como una opción atractiva y viable en el mediano-largo plazo para un desarrollo energético sustentable [4].

The growing concern regarding global warming and environmental issues, together with the global demand for sustainable energy, have encouraged the search and study of new sustainable, clean technologies to generate electricity [2]. Currently in Chile, the most developed Nonconventional Renewable Energy (NCRE) sources are wind and solar energy, with a corresponding 39% and 21% of the Chilean NCRE grid [3]. Nevertheless, obtaining energy from marine phenomena has emerged as an attractive and viable mid-to-long term option for the development of a sustainable energy source [4].

El método más común para extraer energía del mar consiste en intervenir fuertemente bahías y zonas costeras, bloqueando el flujo natural del agua para aprovechar la diferencia de altura de agua que generan las mareas, lo que hace que esta solución sea inviable en países con fuerte percepción y regulación ambiental. Ejemplos de

The most common method of marine extraction consist of a strong intervention of the bays and coastal areas to block the natural flow of water, in order to harness the difference in water height generated by tides. This makes this solution non-viable in countries with strong environmental perception and regulation. Examples of this application can be found in the tidal power plants in La


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esta aplicación son las centrales de La Rance, en Francia, y Sihwa Lake, en Corea del Sur. Por lo anterior, hoy en día las principales líneas de investigación en esta área apuntan hacia encontrar dispositivos que puedan extraer energía sin intervenir de manera tan dramática el ambiente natural [5]. Un ejemplo de esto son los prototipos de turbinas ancladas al fondo marino que aprovechan el movimiento del agua para producir electricidad [6]. Cabe destacar que la hidrodinámica asociada a estas turbinas aún se encuentra en fase de estudio y, a diferencia de la energía eólica, aún no hay consenso para un diseño óptimo de ellas [7, 8, 9]. Sin embargo, ya se pueden encontrar evaluaciones de su desempeño en diferentes zonas del mundo, como lo realizado por Sutherland et al. [10] en el estrecho de Johnstone, Canadá o por Blanchfield et al. [11] en el archipiélago Haida Gwaii, Canadá. En este artículo no se evaluará la energía que podría producir algún prototipo de turbina en particular, sino que se calculará el potencial energético asociado a un sitio de estudio. Considerando lo anterior, Chile cuenta con una geomorfología privilegiada para la investigación y desarrollo de energía mareomotriz y de corrientes mareales [9]. En particular, la zona de estudio de este artículo presenta características especialmente favorables para estas tecnologías debido a sus altas velocidades de corriente, aguas no tan profundas, y cercanía a la principal red de energía eléctrica de Chile, el Sistema Interconectado Central [4, 12]. Por estas razones el canal de Chacao es la zona con mayor prospecto para un posible desarrollo de la energía marina nacional, en particular para proyectos de corriente [13]. El canal de Chacao se encuentra delimitado al norte por el continente Americano, al oeste por el Océano Pacífico, al sur por la isla de Chiloé y al este por el golfo de Ancud. Además, la zona es parte del complejo sistema de fiordos, canales, islas y golfos que constituyen el denominado Mar Interior de Chile (CIS por sus siglas en inglés, ver Figura 1). El CIS presenta

Rance in France and Sihwa Lake in South Korea. Because of this reason, recent research in this area focuses on devices capable of extracting energy without interfering with the natural environment in such a dramatic manner [5]. An example of this are marine energy converters anchored to the sea bottom that use tidal currents to produce electricity, analogous to wind turbines [6]. It is important to mention that the hydrodynamics associated with these marine energy converters are still in the study phase, and, in contrast to wind energy, there is no current consensus regarding their optimal design [7,8,9]. Nevertheless, performance evaluations of these marine energy converters can be already be found in different parts of the world, such as the one by Sutherland et al. [10] at the Johnstone Strait in Canada, or by Blanchfield et al. [11] at Haida Gwaii archipelago in Canada. In this article, the energy that a particular marine energy converter prototype could produce will not be evaluated; instead, the energy potential associated with the area of study will be calculated. Considering the latter, Chile has a privileged geomorphology in terms of research and development of tidal power and of tidal currents [9]. Particularly, the zone of study of this article presents especially favorable qualities for such technologies, due to the high velocity of its currents, its shallow waters, and its proximity to the Chilean power grid, the Central Interconnected System [4, 12]. For these reasons, the Chacao Channel is the area with the best prospect for the development of national marine energy, particularly for in-stream projects [13].

Figura 1. Elementos principales del Mar Interior de Chile [14]. Figure 1. Main elements of Chilean Internal Sea [14].

The Chacao Channel is limited to the north by the South American continent, to the west by the Pacific Ocean, to the south by Chiloe Island, and to the east by the Ancud Gulf. Additionally, this area is part of a complex system of fjords, channels, islands, and gulfs that comprise what is known as Chilean Inland Sea or CIS (See Figure 1). There is a strong interaction among the different elements that comprise the CIS, and even


Investigaciones de los alumnos / 65

una fuerte interacción entre los distintos elementos que lo componen, generándose incluso fenómenos de resonancia y amplificación de ondas de mareas en ciertas zonas de él [14]. El objetivo principal de esta investigación es implementar un modelo unidimensional que permita realizar una aproximación simplificada al potencial energético del canal de Chacao. Esto posibilita evaluar la extracción de potencial energético en esta zona mediante dispositivos de energía marina. Además, la simulación es una herramienta de fácil uso para obtener magnitudes para las variables que dominan el problema, como la velocidad del agua y el caudal que circula a través del canal. Por otra parte, como objetivo secundario se propone la validación del modelo desarrollado en este artículo mediante la comparación con datos disponibles de la zona y de otros modelos más complejos. Esto permite validar la herramienta para los análisis preliminares mencionados anteriormente. Incluso, resultados de este modelo podrían ser usados como valores iniciales y puntos de comparación con modelos más avanzados.

tidal wave resonance and amplification can occur in some of its areas [14]. The main goal of this research is to implement a onedimensional model to develop a simplified approach to the tidal energy potential of the Chacao Channel. This makes possible the evaluation of the potential of tidal energy extraction in this area through marine energy converters. Furthermore, the simulation is a user-friendly tool to obtain magnitudes for the variables of the problem, such as velocity and flowrate of the water that circulates through the channel. On the other hand, the secondary objective proposed is the validation of the model developed in this article through the comparison of available data for the area and more complex models. This allows for the validation of the tool for the preliminary analysis mentioned earlier. The results of this model could even be used as initial values and reference points for more complex models.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

Se implementó en la plataforma computacional MATLAB® un modelo numérico capaz de predecir el flujo a través de un canal de sección variable que conecta una bahía con el mar abierto. Este modelo se basó en el modelo elaborado por Blanchfield et al. [1]. La variable forzante que se utiliza corresponde a una serie temporal de marea en el océano. A partir de esta el modelo resuelve simultáneamente las ecuaciones unidimensionales de cantidad de movimiento y continuidad y se obtiene como resultado las series de tiempo para la altura de agua en la bahía y de caudal en el canal. Estas variables serán utilizadas posteriormente para estimar la potencia disponible en el sistema.

The authors implemented a numerical model capable of predicting flow through variable streamwise section channels connecting a bay with the open sea. This model developed in MATLAB® was based on the previous work done by Blanchfield et al. [1]. The forcing variable used corresponds to a tidal time series in the ocean. Using this variable, the model simultaneously resolves the onedimensional equations of momentum and continuity, obtaining as a result a time series for the bay water height and the channel flowrate. These variables will be used later to estimate the power available in the system.

El sistema adimensional de ecuaciones que representa lo descrito anteriormente es el siguiente:

The dimensionless equation system that represents what was previously described is the following:

(1)

n1 −1 n2 −1 dQ * ga * = ζ o* − ζ Bahía − λ*1Q * Q * − λ*2Q * Q * − Q* Q* * 2 dt 2(cωEe ) * dζ Bahía (2) = βQ* * dt


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donde la forzante de marea, la altura de agua en la bahía y el caudal en el canal son representados por ζ*o,ζ*Bahía y Q*, respectivamente. La forzante de marea se representó por una función sinusoidal del tipo ζo*(t)=cos(ω), donde ω representa la frecuencia angular de la marea.

where the tide forcing, the height of water in the bay and the flowrate in the channel are represented by ζ*o,ζ*Bahía and Q*, respectively. The tide forcing was represented by a sinusoidal function type ζo*(t)=cos(ω), where ω refers to the tidal frequency.

Los parámetros λ1* y λ2* representan el arrastre que es aplicado al flujo por las turbinas y por el fondo, respectivamente. Resolviendo el sistema para distintos valores de λ1* se pueden obtener las condiciones de flujo para distintos escenarios de turbinas en el canal. Esto permite encontrar un punto óptimo de arrastre de turbinas para el cual se maximiza la potencia generada en el canal. Más allá de este punto los dispositivos frenan el flujo, disminuyendo el potencial energético del lugar en estudio [1]. Cabe destacar que los coeficientes n1 y n2 representan la relación entre el arrastre y el flujo. En este estudio se consideró que esta influencia es cuadrática (n1= n2=2).

The parameters λ1* and λ2* represent the drag that is applied to the flow by the marine energy converters and by the seabed, respectively. By solving the system for different values of λ1*, flow conditions for different scenarios of marine energy converters can be obtained. This allows the finding of an optimal drag point for this devices, at which the power generated by the channel can be maximized. Beyond this point, putting additional devices would block the flow, reducing the tidal energy potential of the studied area [1]. It is important to highlight that the coefficients n1 and n2 represent the relationship between the drag and the flow. In this study, it was considered that this influence is quadratic n(1)= n(2)=(2)

El valor de λ*2 se puede obtener mediante

The value λ2* can be obtained through

* ga ga 2 −1 2 −1 *

λ =C

2 d

(cω )2

∫ (hE

) dx

(3)

donde Cd es el coeficiente de arrastre de fondo, g es la aceleración de gravedad, a es la amplitud de la marea forzante, ω es la frecuencia angular de esta marea, h y E son la profundidad máxima y el área transversal de una sección transversal del canal, y c es el coeficiente de geometría del canal. Este último se obtiene a partir de

−1

∫ (hE

λ =C

) dx

2 d (cω )2

(3)

where Cd is the bottom drag coefficient, g is gravity acceleration, a is the amplitude for the forcing tide, ω is the angular frequency of said tide, h and E are the maximum depth and the cross-section area of a cross-section of the channel, and c is the geometry coefficient of the channel. The latter is obtained from

−1

c = E dx (4)

c = E dx (4)

En la ecuación de continuidad (Ecuación 2), el parámetro β es el coeficiente de geometría de la bahía, y se obtiene utilizando la siguiente expresión:

In the continuity equation (Equation no. 2), parameter β is the geometry coefficient of the bay, and it is obtained using the following expression:

g cAω

g cAω

β= (5) 2

β= (5) 2

donde c es el coeficiente g de geometría del canal, A es la aceleración de gravedad, ω es el área superficial de la bahía y es la frecuencia angular de la marea forzante. La resolución numérica de este sistema de ecuaciones se realizó utilizando el método de Runge-Kutta de cuarto orden.

where c is the geometry coefficient of the channel, g is the acceleration of gravity, A is the area of the bay, and ω is the tidal frequency of the forcing tide. The numerical resolution of this equation system was performed using the Fourth Order Runge-Kutta method.

Tras la aplicación computacional del modelo, se validó su implementación mediante soluciones analíticas y teóricas [1] y mediante la comparación de resultados con la aplicación de un modelo similar en un canal ubicado en el archipiélago Haida Gwaii, Columbia Británica, Canadá [11]. Los resultados obtenidos fueron muy similares, confirmando la validez de la implementación realizada. Por ejemplo, para el caso canadiense, los resultados obtenidos

The implemented model was validated through analytical and theoretical solutions [1], and through the comparison of the results with the application of a similar model in a channel located in the Haida Gwaii archipelago in British Columbia, Canada [11]. The results obtained were very similar, confirming the validity of the implementation performed. As an example, for the Canadian case, the results obtained are within 3% to those obtained in [11]


Investigaciones de los alumnos / 67

Figura 2. Mareógrafos disponibles en el canal de Chacao [3]. Se utilizó como marea forzante la componente M2 según lo reportado por el mareógrafo de Carelmapu.

Figure 2. Available tidal gauges in the Chacao Channel [3]. The component M2 was used as the forcing tide according to what was reported by the tidal gauge of Carelmapu.

tienen variaciones menores a un 3% en comparación a los datos obtenidos en [11]. La importancia de esta validación es que permite concluir que el programa desarrollado fue correcto, ya que se obtuvieron tanto las soluciones analíticas esperadas, como resultados similares para otros casos de estudio. Una vez hecha esta validación se tiene la seguridad que el programa es capaz de solucionar correctamente el problema en estudio. Posteriormente a la validación, se procedió a implementar el programa al canal de Chacao. En primer lugar, se utilizaron datos del Instituto Nacional de Hidráulica (INH) para simular la marea forzante del océano. En particular, se escogió el mareógrafo de Carelmapu (ver Figura 2) debido a su cercanía con el inicio del canal. Además, si bien las mareas se conforman por variados componentes, cada uno con una amplitud y frecuencia, se optó por la componente denominada M2 debido a que sus mayores amplitudes la hacen la más energética. Según lo reportado por el INH [15] esta componente tiene una frecuencia angular del orden de ω = 1,405x10-4 y una amplitud de a= 0,9419 m en el mareógrafo escogido [3]. En segundo lugar, para aplicar el modelo al canal de Chacao, se asumió que el golfo de Ancud representa la bahía que es conectada al océano a través de un canal. Si bien la realidad del Mar Interior de Chile es compleja y también pueden ser importantes los fenómenos de marea en el seno de Reloncaví y en el golfo del Corcovado (ver Figura 1) [14], se utilizará este supuesto considerando los alcances del presente informe. Para obtener la superficie del golfo de Ancud se procedió a utilizar el software de información geográfica QGIS, en el que se definió la frontera de esa bahía según lo mostrado en la Figura 3. Según esta delimitación, se obtuvo una superficie de aproximadamente 3073 km2.

which is considered adequate. The importance of this validation is that it leads to the conclusion that the program developed was correct, as both the analytical solutions obtained and the similar results to other case studies turned out as expected. Once this validation is done, there is certainty that the program is capable of resolving correctly the problem under study. After the validation, the program was implemented in the Chacao channel. First, data from the National Institute of Hydraulics (INH) was used to simulate the forcing tide of the ocean. Particularly, the tidal gauge of Carelmapu (see Figure 2) was chosen due to its proximity to the entrance to the channel from the ocean. Also, although tides are formed by different components, each one with its own amplitude and frequency, the component denominated M2 was chosen because its greater amplitudes make it more energetic. According to the INH’s reports [4] this component has an angular frequency order of ω 1.405x104 rad/s and an amplitude of a = 0.9419 m in the chosen tidal gauge [3]. Second, in order to apply the model to the Chacao Channel, it was assumed that the Ancud gulf represented the bay connected to the ocean through a channel. Although the reality is that the Chilean Inland Sea is complex, and the tides of the Reloncaví Sound and the Corcovado gulf (see Figure 1) [14] may also be important phenomena, this will be assumed according to the scope of the present report. The geographic information software QGIS was used to obtain the area of the Ancud gulf, in which the limits of said bay were defined as shown in Figure 3. According to this demarcation, an area of approximately 3073 km2 was obtained.


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Figura 3. Superficie utilizada para el golfo de Ancud. Al utilizar esta área se ignora la infuencia del canal sobre los cuerpos de agua ubicados al norte y al sur del golfo. Modelos más complejos podrían incorporar esto al problema. Figure 3. Area used for the Ancud gulf. By using this area, the influence of the channel over bodies of water located to the north and south of the gulf can be ignored. More complex models could incorporate this to the problem.

Para poder calcular los parámetros restantes necesarios para utilizar el modelo, se procedió en primer lugar a discretizar el canal de Chacao en perfiles transversales al flujo. Esto permite obtener valores representativos como el área de cada perfil y la profundidad de agua media, los que serán utilizados para la obtención de las variables físicas del problema. Con el uso del software de información geográfica QGIS se definieron los perfiles según lo dispuesto en la Figura 4. La zona indicada se seleccionó debido a que los estudios existentes muestran que es la de mayor potencial energético, además de ser una región donde se poseen buenos datos de marea y de batimetría (ver Figura 5), fundamentales para los cálculos necesarios [12, 15, 16].

Figura 4. Discretización realizada en el canal de Chacao. Se utilizaron 86 perfiles. Figure 4. Discretization of the Chacao Channel. 86 profiles were used.

In order to calculate the remaining parameters of the model, the Chacao Channel was first discretized in cross-section flow profiles. This makes possible to obtain representative values such as the area of each profile and the depth of the measured water, which will be used to obtain the physical variables of the problem. With the use of geographical information software QGIS, profiles were defined according to the data in Figure (4). The indicated area was selected because existing studies show it has the greatest tidal energy potential, as well as for being a region that already has good tide and of bathymetry data (see Figure 5), which are essential to perform the necessary calculations [12, 15, 16].


Investigaciones de los alumnos / 69

Figura 5. Batimetría del canal de Chacao, con precisión de 100 m. Figure 5. Bathymetry of the Chacao Channel, with 100 m precision.

Una vez determinadas las coordenadas de los extremos de cada perfil, es posible interpolar la información de batimetría disponible para así obtener los perfiles transversales del canal. Esto permite calcular aproximadamente el área transversal de cada perfil, su profundidad media, y obtener los parámetros necesarios para aplicar el modelo computacional al canal de Chacao.

Once the coordinates for each profile’s edges are determined, it is possible to interpolate available bathymetry information to obtain the cross-section profiles of the channel. This makes possible to calculate the approximate cross-section area of each profile, its mean depth, and the necessary parameters to apply the computer model in the Chacao channel.

Una vez que se conoce el caudal que circula a través del canal y el área transversal de cada perfil es posible obtener las velocidades a lo largo del canal aplicando las ecuaciones de continuidad y flujo uniforme explicadas en la sección de Principio Científico. Particularmente, para la velocidad máxima se dividió el mayor caudal simulado por la mínima área transversal. En el caso de la velocidad media, esta se obtuvo promediando la velocidad máxima asociada a cada valor de caudal obtenido, es decir, se dividió la serie de tiempo de caudales por el área mínima y se promedió el resultado.

Once the flowrate that circulates through the channel and the cross-section area of each profile is known, streamwise velocities are obtained by applying the continuity and uniform flow equations explained in the Scientific Principle section. Particularly, to obtain the maximum velocity, the largest simulated flowrate was divided by the minimum cross-section area. In the case of the mean velocity, it was obtained by averaging maximum velocity associated with each flowrate obtained, that is, the flow time series was divided by the minimum area and the result was averaged.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Tras realizar lo indicado en la sección anterior, se procedió a correr el modelo con los datos que se encuentran resumidos en la Tabla 1. Los parámetros de marea fueron obtenidos según lo reportrado por el INH [15]. Las áreas de la bahía y áreas transversales se obtuvieron utilizando la batimetría del canal y el programa QGIS. Los parámetros c, β y λ2* se calcularon según las ecuaciones presentadas en la sección de metodología. En cuanto el peso específico ρ, se utilizó un valor característico para el agua de mar [1]. Para una mayor profundización sobre el significado de cada una de las variables mostradas en la Tabla 1 se sugiere revisar la sección de Principio Científico o el modelo que inspira este informe [1].

After performing what was indicated in the previous section, the model was run with all the data summarized in Table 1. The tide parameters where obtained according to the INH reports [15]. The area of the bay and the cross-section area were obtained by using the channel’s bathymetry and the QGIS program. Parameters , c, β and λ2* were calculated according to the equations presented in the Methodology section. In terms of specific weight ρ, a characteristic value assigned to seawater was used [1]. For a deeper understanding of the significance of each of the variables shown in Table 1, it is advisable to review the Scientific Principle section or the model that inspires this report [1].

Para las condiciones naturales del canal se obtuvieron valores de velocidad máxima media en el canal de u̅ = 1,85 m s-1 y una velocidad máxima de umax = 2,79 m s-1. Estos resultados tienen menos de un 3% de variación respecto a los datos medidos en el canal [15, 16] y obtenidos en simulaciones bidimensionales para esa zona [12]. Al igual que en [12, 15 y 16], el lugar de máxima velocidad corresponde a la zona de Roca Remolinos, donde el canal es más angosto (ver Figura 2).

The mean of the maximum velocity values obtained for the channel in its natural conditions was u̅ = 1.85 m s-1 and a maximum velocity of umax = 2.79 m s-1. These results have less than a 3% variation with respect to the data measured in the channel [15, 16] and to those obtained in bi-dimensional simulations for that area [12]. As in [12, 15 y 16], the place where maximum velocity occurs corresponds to the area of Roca Remolinos, where the channel is narrow (see Figure 2).


70 / Investigaciones de los alumnos

Table 1.- Data used for the Chacao Channel. Parameter

Description

Value

α

Tide Amplitude

0.9419

ω

Tide frequency

1.405x10

s-1

Bay area

3.073

km2

Gravity acceleration

9.81

m s-2

Specific water weight

1.025

kg m-3

Area of the channel’s outlet

277,275

m2

Minimum cross-section area

195,504

m2

Channel Geometry coefficient

0.699

m-1

Bay geometry coefficient

2.3134

-

Bottom drag parameter

1,5618

-

A g

ρ

Ee

Emin c

β

λ

* 2

Unit m -4

Por otro lado, tal como lo ilustra la Figura 6, el modelo es capaz de representar correctamente el desfase de las mareas entre el océano y la bahía en sus condiciones naturales. En el canal se observa un desfase de aproximadamente una hora entre la marea alta al inicio y al final del canal, fenómeno que logró ser representado por el modelo. Tal como lo medido por el INH [15], se amplifica la marea en la bahía, obteniéndose alturas de marea mayores en el extremo oriental del canal, comparadas con el extremo occidental. Esta amplitud de onda se encuentra dentro de un 25% de variación (a lo más 40 cm) con respecto a los mareógrafos representativos del canal y el golfo de Ancud: Piedra Remolinos, Pargua y Chacao (ver Figura 2).

On the other hand, as shown in Figure 6, the model is capable of correctly representing the tide gap between the ocean and the bay in its natural conditions. A delay of approximately an hour is observed in the channel between high tide at the beginning and at the end of the channel, phenomenon that the model was able to represent. As measured by the INH [15], the bay tide is amplified, obtaining a higher tide height at the eastern extreme of the channel, in comparison to its western extreme. This amplitude is within a 25% variation (40 cm at most) with respect to the representative tidal gauges for the channel and the Ancud gulf: Piedra Remolinos, Pargua and Chacao (see Figure 2).

En cuanto a la potencia disponible en el canal, tal como era de esperar, se encontró que existe un punto óptimo de generación de energía. Después de este punto la instalación de más turbinas disminuye el flujo, reduciendo la disponibilidad energética del canal (ver Figura 7). Este punto óptimo corresponde a un parámetro de arrastre de turbinas de λ1* = 7.

With regards to power available in the channel an existing optimal point of energy generation was found as expected. The installation of marine energy converters after this point reduces the flow, thus reducing the energy availability of the channel (see Figure 7). This optimal point corresponds to a marine energy converter drag parameter of λ1* = 7.

Figura 6. Resultados para el canal de Chacao sin turbinas. En azul se aprecia la marea forzante. Se observa una buena representación del desfase y la amplificación con la marea en la bahía, en rojo. En verde se aprecia el caudal generado. Figure 6. Results for the Chacao Channel without marine energy converters. The forcing tide is appreciated in blue. A good representation of the gap and the amplification with the tide of the bay is observed, in red. The flowrate generated can be appreciated in green.


Investigaciones de los alumnos / 71 Figura 7. Potencia simulada para el canal de Chacao. Se obtiene una curva que sigue la forma esperada, con un incremento inicial de la potencia a medida que se aumenta la influencia de las turbinas, seguido de un punto óptimo de generación y una posterior caída de la potencia disponible. Figure 7. Simulated power for the Chacao Channel. A curve that follows the expected form is obtained, with an initial power increment as the influence of the marine energy converters increases, followed by an optimal point of generation and subsequent decline of available power.

En el punto óptimo del problema se encontró un valor para el potencial energético simulado de (Pavg )max ≈ 1.075 MW. Este resultado se encuentra dentro de los rangos esperados según la información disponible y simulada para el canal [12, 15, 16]. Es importante mencionar que en este escenario de máxima generación, el modelo arrojó una disminución de caudal de un 44,59%.

At the optimal point of the problem, a value for the simulated tidal energetic potential was found at (Pavg ) ≈ 1,075 MW. This result is within the expected range max according to the information available and simulated for the channel [12, 15, 16]. It is important to mention that in this maximum generation scenario, the model showed a flowrate reduction of 44.59%.

Con el interés de evaluar el potencial energético para una situación con consideraciones ambientales en la cual se conserva el 90% del caudal inicial, se encontró que esta restricción se logra con λ1* = 0,787. Esto equivale a una situación de (Pavg )max ≈ 468 MW, donde las velocidades medias y máximas disminuyen a u̅ = 1,695 m s-1 y umax= 2,508 m s-1, respectivamente.

In order to evaluate the tidal energy potential for a situation with environmental considerations in which 90% of the initial flowrate is conserved, it was determined that this restriction is achieved at λ1* = 0.787. This is the equivalent to the situation of (Pavg )max ≈ 468 MW, where mean and maximum velocities decrease to u̅ = 1.695 m s-1 y umax = 2.508 m s-1, respectively.

Además, es posible ampliar el modelo para que este incorpore más componentes de marea en el océano, y no solamente el componente dominante de la marea M2. En esta misma línea, para comprender de mejor manera el complejo sistema hidráulico presente en los alrededores del canal de Chacao, es necesario estudiar el sistema contemplando un mayor número de sus elementos. Esto implicaría considerar que el golfo de Ancud está conectado al sur con el golfo de Corvocado y al norte con el seno de Reloncaví. Además, implicaría estudiar la influencia de la zona sur del Mar Interior de Chile sobre las corrientes presentes en el canal de Chacao.

The model could be expanded to incorporate additional ocean tide components, and not only the dominant tide component M2. Similarly, in order to reach a better understanding of the complex hydraulic system surrounding the Chacao Channel, the system needs to be studied taking into consideration a higher number of elements. This means considering that the Ancud Gulf is connected to the south with the Concorvado Gulf and to the north with the Reloncaví Sound. In addition, it would involve studying the influence of the southern area of the Chilean Internal Sea over the currents present in the Chacao Channel.

Por último, actualmente se encuentra en construcción un puente que cruza el canal de Chacao. Este afectará de alguna manera el flujo de agua a través del canal, con implicancias directas sobre una posible instalación de turbinas en esta zona. Por lo anterior, es necesario analizar cómo es posible compatibilizar un futuro de generación eléctrica en el canal estudiado con la construcción de esta obra, y además con el desarrollo de flora y fauna local, la actividad turística y la actividad económica de la zona.

Finally, a bridge crossing the Chacao channel is currently under construction. This will somehow affect the water flow through the channel, with direct implications over possible the installation of marine energy converters in the area. Because of this, a future of electric generation in the studied channel needs to be analyzed as to how to make it compatible with this structure, as well as to local flora and fauna, and to the economic and tourism activities of the area.


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4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Considerando la creciente problemática medioambiental y la necesidad de nuevas formas de generación de energía, se buscó desarrollar un modelo unidimensional para evaluar la potencia disponible en el canal de Chacao, X Región, Chile. Este lugar es relevante debido a sus favorables condiciones hidrodinámicas para la generación de energía, además de tener una ubicación privilegiada.

Considering the growing environmental problems and the necessity of developing new energy sources, this project sought to develop a one-dimensional model to evaluate the available power of the Chacao Channel located in the X Region of Chile. This location is relevant due to its favorable hydrodynamic conditions for the generation of energy, in addition to having a privileged location.

En primer lugar, se concluyó que el modelo desarrollado es una implementación correcta de la teoría desarrollada por Blanchfield et al. [1]. El proceso de validación, en el cual se compararon los resultados del modelo con casos teóricos, analíticos y prácticos (Haida Gwaii, Canadá), permitió determinar que se programó un modelo que es capaz de predecir la potencia disponible en un canal que conecta una bahía con el océano.

In the first place, it was concluded that the developed model is a correct implementation of the theory developed by Blanchfield et al. [1]. The validation process, in which model results where compared to theoretical, analytical, and practical case studies (Haida Gwaii, Canada), made possible to determine that we used a model capable of predicting the available power of a channel that connects a bay to the ocean.

Sin embargo, cuando se evalúa este canal en condiciones cercanas a su estado natural sin turbinas o en escenarios donde los fenómenos de resonancia con la bahía son importantes, se obtienen resultados que varían con respecto a la teoría, generalmente sobreestimando el caudal natural. Cabe destacar que estos errores se disipan cuando el arrastre sobre el flujo es mayor, lo que implica que las predicciones de potencia son correctas.

However, when the channel is evaluated under conditions close to its natural state without marine energy converters or in scenarios in which resonance phenomena with the bay are important, the results obtained vary in relation to the theory, generally overestimating the natural flowrate. It is worth stressing that these errors clear up when the drag on the flow is greater, which implies that the power predictions are correct.

En segundo lugar, tras realizar la aplicación al canal de Chacao, se obtuvieron magnitudes esperadas y errores tolerables (menores a un 5%) para la velocidad media, la velocidad máxima, la amplitud de marea en la bahía y el desfase entre la marea alta al inicio y al final del canal. Así, se concluye que el método desarrollado para el modelo y la obtención de los parámetros relevantes fue correcto.

In the second place, after executing the application on the Chacao Channel, expected magnitudes and acceptable errors (under 5%) for mean velocity, maximum velocity, amplitude of the bay tide, and gap between high tide at the beginning and at the end of the channel, were obtained. Thus, the conclusion is that the method developed for the model and the relevant parameters obtained were correct.

En tercer lugar, el resultado para la disponibilidad de energía en el sitio de estudio, la cual es superior a los 1000 MW, confirma el alto potencial energético del canal de Chacao. Ahora bien, esta generación es acompañada por una considerable disminución del caudal natural, lo que puede conllevar importantes consecuencias medioambientales para la zona. Por lo mismo, se realizó un análisis de conservación de caudal, tras el cual también se encuentra un potencial energético considerable en el canal, correspondiente a 468 MW cuando se conserva el 90% del caudal natural. Por último, se concluye que el modelo desarrollado cumple con su objetivo de ser una aproximación muy simple que es capaz de pronosticar de forma correcta los fenómenos asociados a corrientes de marea y su potencial energético. Si se cuenta con información apropiada respecto a mareas y batimetría, es posible aplicar este modelo a otros sitios de estudio y evaluar preliminarmente su recurso energético sin una mayor complejidad.

In the third place, the results regarding power availability in the area studied, which surpasses 1000 MW, confirms the high tidal energy potential of the Chacao Channel. However, this power generation comes with a considerable reduction of natural flowrate, which may lead to significant environmental consequences for the area. Consequently, an analysis of flowrate conservation was performed, which revealed a tidal energy potential to 468 MW when 90% of the natural flowrate is preserved. Finally, it is concluded that the developed model fulfils its goal of being a very simple approach capable of correctly predicting phenomena associated with current tide and its tidal energy potential. If appropriate information regarding tide and bathymetry is available, it is possible to apply this model to other places of study and to evaluate preliminarily their energy resources without much complexity.


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AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

Los datos de marea y batimetría fueron levantados gracias al proyecto FONDEF D09I1052 “Evaluación del recurso energético asociado a corrientes mareales en el Canal de Chacao para la selección e implementación de dispositivos de recuperación de energía” y al trabajo en conjunto con el Instituto Nacional de Hidráulica del Ministerio de Obras Públicas de Chile.

Tide and bathymetry data was obtained thanks to project FONDEF D09I1052 “Evaluación del recurso energético asociado a corrientes mareales en el Canal de Chacao para la selección e implementación de dispositivos de recuperación de energía” and to the joint work of the National Institute of Hydraulics of the Ministry of Public Works of Chile.

Glosario

Glossary

Arrastre: El arrastre, o coeficiente de arrastre, se refiere a cuantificar la resistencia que ejerce un objeto sobre un fluido. Esta interacción se asocia a pérdidas de energía en el flujo y también a fuerzas entre el flujo y el objeto. Batimetría: Información del relieve y la profundidad de superficies sumergidas bajo el agua. Corrientes mareales: Flujos de agua provocados por variaciones en la marea. Energía mareomotriz: Energía asociada a los fenómenos marinos y que es aprovechada para la generación de energía eléctrica. Hidrodinámica: Parte de la dinámica que estudia el movimiento de líquidos y las causas que lo originan. Marea: Movimiento periódico de ascenso y descenso del nivel del mar. Mareógrafo: Instrumento que sirve para medir y registrar las variaciones de las mareas.

Drag: Drag, stress, or drag coefficient, refers to quantifying the resistance exerted by an object over a fluid. This interaction is associated with energy loss in the flow and also to the force between the flow and the object. Bathymetry: Information regarding the terrain and depth of areas under the water. Tidal currents: Water flow produced by tide variations. Tidal power energy: Energy associated with marine phenomena and used to produce electric energy. Hydrodynamics: The area of dynamics that studies the movement of liquids and the causes that originate it. Tide: Periodic movement of rise and fall of the sea water level. Tidal gauge: Instrument used to measure and register tidal variations.

Principio científico

Scientific Principle

El modelo matemático utilizado busca estudiar la energía disponible en un canal que conecta una bahía con el mar abierto. En él se resuelven las ecuaciones de continuidad y de conservación de cantidad de movimiento para obtener el caudal en el canal y la altura de marea en la bahía. Tal como lo ilustra la Figura 8, la bahía solo es influenciada por la marea existente en mar abierto y la corriente se genera a través de un canal de sección transversal variable.

The mathematical model used seeks to study the available energy of a channel that connects a bay with the open sea. In it, equations of continuity and momentum conservation are resolved to obtain the flowrate of the channel and the height of the tide in the bay. As shown in Figure 8, the bay is only affected by the tide of the open sea, and the current is formed by a variable crosssection section channel.

El sistema de ecuaciones diferenciales que permite obtener la altura de marea en la bahía corresponde a las Ecuaciones 1 y 2. La Ecuación 1 se obtiene al adimensionalizar la ecuación de Navier-Stokes para un flujo unidimensional y la Ecuación 2 se obtiene al adimensionalizar la ecuación de continuidad del flujo. Para mayor detalle sobre el desarrollo de las ecuaciones se sugiere revisar lo expuesto por Blanchfield et al. [1].

The differential equation system that makes possible to obtain the height of the tide in the bay corresponds to equations 1 and 2. Equation 1 is obtained when the NavierStokes equation is adimensionalized for an one-dimensional flow and equation 2 is obtained when the equation of flow continuity is adimensionalized. For further detail regarding the development of these equations, please review the work of Blanchfield et al. [1].

En particular, λ1* representa la influencia de turbinas sobre el flujo, por lo que es posible encontrar un valor de él para

In particular, λ1* represents the influence of marine energy converters over the flow; therefore, it is possible to find a value


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Figura 8. Esquema conceptual del modelo conectando una bahía con el océano [1]. Figure 8. Diagram of the model connecting a bay with the ocean [1].

el cual la generación de energía es óptima. Esta optimalidad se explica debido a que un pequeño número de turbinas implican que aún podría extraerse energía, pero que si este número es muy elevado el flujo se frenará y la generación de energía decaerá.

for it at which energy generation is optimal. This optimal generation is possible because a small number of marine energy converters means that energy could still be obtained, but if the number is high, the flow will lose speed and power generation will diminish.

La relación entre flujo (caudal) y potencia se hace a través de la expresión

The relationship between flowrate and power is made through the expression

n1 −1 * (6) P = λ* Q*2 Q*

n1 −1 * (6) P = λ* Q*2 Q*

donde P*avg representa la potencia promedio en un canal con un parámetro de turbinas λ1*, y donde se promedia la serie de caudales para el último ciclo de mareas.

where P*avg represents the average power in a channel with a marine energy converter parameter λ1*, and where the flowrate series is averaged for the last tide cycle.

En cuanto a la velocidad, se asumió un flujo uniforme a lo largo de las secciones transversales, por lo tanto esta puede ser calculada usando

With regards to speed, a uniform flow was assumed along cross-section areas, therefore this speed can be calculated by using

avg

1

Q u= A

(7)

avg

1

Q u= A

(7)


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REFERENCES [1] BLANCHFIELD, J., et al. “The extractable power from a channel linking a bay to the open ocean”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2008, vol. 222, no. 3, p. 289-297. [2] INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE. “Summary for policymakers”. En: Edenhofer, O., et al. (eds). Climate Change 2014, Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. [3] MINISTERIO DE ENERGÍA. Reporte ERNC Febrero 2015. [online]. Santiago, 2015. Available at: http://cifes.gob.cl/wp-content/ uploads/2014/06/Reporte-ERNC-Marzo-2015.pdf [4] ERRÁZURIZ & ASOCIADOS. Marine Energy Development, taking steps for developing the Chilean resource [online]. Santiago, 2013. Available at: https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/207868/Marine_ Energy_Report_-_ENGLISH.pdf [5] BAHAJ, AbuBakr S. “Generating electricity from the oceans”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, vol. 15, no. 7, p. 3399-3416. [6] GARRETT, Chris; CUMMINS, Patrick. “Generating power from tidal currents”. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2004, vol. 130, no. 3, p. 114-118. [7] BAHAJ, A. S., et al. “Power and thrust measurements of marine current turbines under various hydrodynamic flow conditions in a cavitation tunnel and a towing tank”. Renewable Energy, 2007, vol. 32, no. 3, p. 407-426. [8] CHAMORRO, L. P., et al. “On the interaction between a turbulent open channel flow and an axial-flow turbine”. Journal of Fluid Mechanics, 2013, vol. 716, p. 658-670. [9] CHAMORRO, L. P., et al. “Three-dimensional flow visualization in the wake of a miniature axial-flow hydrokinetic turbine”. Experiments in Fluids, 2013, vol. 54, no. 2, p. 1-12. [10] SUTHERLAND, G.; FOREMAN, M.; GARRETT, C. Tidal current energy assessment for Johnstone Strait, Vancouver Island. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2007, vol. 221, no. 2, p. 147-157. [11] BLANCHFIELD, J., et al. “Tidal stream power resource assessment for Masset Sound, Haida Gwaii”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2008, vol. 222, no. 5, p. 485-492. [12] LINDEEN, N. “Hydrodynamic modeling of tidal currents at Chacao channel for a preliminary energy resource assessment”. MA Thesis, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, 2012. [13] CRUZ, J., et al. “Preliminary site selection–Chilean marine energy resources”. Garrad Hassan, 2009. [14] AIKEN, C. M. “Barotropic tides of the Chilean Inland Sea and their sensitivity to basin geometry”. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 2008, vol. 113, no. C8. [15] INSTITUTO NACIONAL DE HIDRÁULICA. Evaluación del recurso energético asociado a corrientes mareales en el canal de Chacao para la implementación de dispositivos recuperadores de energía. Chiloé, 2012. [16] PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA. Informe de mediciones en terreno: variables hidrodinámicas, batimetría y variables meteorológicas en el canal de Chacao. Santiago, 2012.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Daniel Gajardo

Rodrigo Cienfuegos

Maricarmen Cristián Guerra Escauriaza


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Segregación socio-espacial y movilidad urbana en el Gran Santiago urbano Socio-spatial segregation and urban mobility in Santiago

Omar Seguel1, Alumno de 6to año Patricia Galilea1*, Profesor Instructor Adjunto

Omar Seguel1, 6th year student Patricia Galilea1*, Adjunct Instructor Professor

1 Departamento de Ingeniería en Transporte y Logística, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile * Autor de correspondencia: pga@ing.puc.cl

1 Department of Transportation and Logistics Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile * Corresponding author: pga@ing.puc.cl


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RESUMEN

ABSTRACT

El intensivo crecimiento de Santiago, el continuo aumento de las tasas de motorización y la creciente desigualdad socioeconómica del país han derivado en la configuración de una ciudad fuertemente segregada socio-espacialmente y con desiguales patrones de movilidad entre los distintos sectores de la población. El objetivo del presente artículo es contrastar la situación en que viven los distintos sectores de la población capitalina. Para ello se estudiaron diversos patrones demográficos, socio-económicos, urbanos y de movilidad para ocho comunas que se encuentran en la periferia del Gran Santiago. En primera instancia, se estudió cómo la política habitacional, la ausencia de una política de regulación urbana, el uso del libre mercado como único instrumento de valorización y distribución del suelo y la liberalización del sistema de transporte, generaron diversos procesos de desarrollo urbano que explicarían la actual expansión y segregación del Gran Santiago. Posteriormente, se estudiaron y contrastaron las desigualdades existentes en los patrones de movilidad urbana en las distintas comunas. Los resultados indicaron grandes diferencias en la forma como los distintos sectores se movilizan dentro la ciudad. Así, se concluyó que la desigualdad en los patrones de movilidad configura un panorama urbano que beneficia a los sectores acomodados y acrecienta la divergencia dentro de la ciudad. Lo anterior enfatiza la necesidad de crear políticas de transporte y urbanismo para remediar la actual configuración desigual de la ciudad.

The intensive growth of Santiago, the continuous increase in motorization rates and the increase on social inequality in the country have resulted in the setting of a strongly segregated city with unequal patterns of mobility among different sectors of the population. The objective of this article is to contrast the situation faced by the various sectors of the population inhabiting the Chilean Capital by studying several demographic, socioeconomic, urban and mobility patterns for eight municipalities that are located on the periphery of Gran Santiago. First, we studied how housing policy, the absence of a urban regulation policy, the using of free market as the only tool for valuing, and distributing the urban land and the liberalization of the transport system, derived in diverse urban development processes that explain the current expansion and segregation within Gran Santiago. Subsequently, the inequalities in urban mobility patterns in different municipalities were studied and contrasted. The results indicate huge differences on how the people from different districts move within the city. Therefore, it was concluded that the inequality in urban mobility creates an urban configuration that benefits upscale sectors and increases the divergence within the city. These results emphasized the need for creating transport and urban planning policies to remedy the current unequal configuration of the city.

Palabras clave: Segregación, desigualdad, desarrollo urbano, movilidad urbana, transporte

Keywords: Segregation, inequality, urban development, urban mobility, transportation.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

“La ciudad es el espacio donde se localizan, realizan y relacionan sistémicamente, y muchas veces de manera competitiva, una multiplicidad de actividades productivas, de recreación, de estudios, de convivencia familiar y amical” [1]. En este sentido, remitir el análisis de la desigualdad y la exclusión social a la perspectiva de la segregación residencial conlleva a una consideración fija y delimitada del problema donde no se consideran otros ámbitos de actividad desarrollados por las personas (laborales, educacionales, recreacionales) ni tampoco la forma en que diariamente ellas deben desplazarse para desarrollar dichas actividades [2]. Por lo mismo, resulta de suma importancia estudiar cómo la ciudad y el transporte dentro de ella se desarrollan e interactúan, tanto conjuntamente como de manera interdependiente, para entender la segregación y la exclusión socio-espacial de una manera dinámica que atienda a cómo el ciudadano se relaciona con la ciudad y su entorno.

“The city is the space in which many productive, recreational, educational, and family and friendly activities take place and connect systematically and many times in a competitive way.”[1] In this sense, to restrict the analysis of inequality and social exclusion to the perspective of residential segregation entails a limited and set consideration of the problem, in which other aspects of the activities carried out by people (work-related, educational, recreational) are not considered, and neither is the manner in which they must commute everyday to perform these activities [2]. By the same token, it is imperative to study how the city and its transportation system are developed and how they interact, both jointly and independently, to understand segregation and socio-spatial exclusion in a dynamic manner that addresses how the citizen relates to the city and its surroundings.

Uno de los grandes desafíos que presentan las ciudades contemporáneas es la movilidad urbana. La movilidad urbana se entiende como el desplazamiento de mercancías

Urban mobility is one of the biggest challenges posed by contemporary cities. Urban mobility is understood as the movement of goods or people between different points within the city. Flow patterns are conditioned to the level of access individuals have to goods, services, activities, and


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o de personas entre distintos puntos de la ciudad. Los patrones de desplazamientos están condicionados al nivel de accesibilidad de los individuos a bienes, servicios, actividades y a la localización de los destinos donde estos individuos pueden obtener sus ingresos o satisfacer sus necesidades [3]. Las características demográficas y urbanas del territorio a estudiar son variables claves que determinan los patrones de movilidad cotidiana dentro de la ciudad y los niveles de accesibilidad a las actividades que en ella se desarrollan. Por lo mismo, resulta clave estudiar las diferencias que existen en las posibilidades de movilidad y transporte que se presentan entre las distintas clases sociales o sectores de la ciudad. El estudio de variables como el ingreso de los habitantes, la densidad urbana, la política de uso de suelos, la tasa de motorización y la calidad de la infraestructura vial son claves para generar políticas de transporte y urbanismo más inclusivas y que consideren la situación de desigualdad dentro de la ciudad. Durante las últimas décadas, Santiago se ha caracterizado por un crecimiento intensivo del sector urbano hacia la periferia, un bajo nivel de planificación en el uso de suelo en cada sector y niveles desiguales de inversión en las distintas comunas que la componen. Lo anterior, sumado a la evolución en las necesidades de movilidad, el aumento en las tasas de motorización, las alzas en las tasas de congestión y el sostenido aumento en los tiempos de viaje, ha convertido a la ciudad en un desafío en términos urbanos y de transporte. La población de Santiago aumentó desde los 3.902.329 habitantes, según el Censo Nacional de Población del año 1982, hasta 7.007.630 habitantes según la proyección del INE para el año 2012 [4]. Esto ha alterado no solo la expansión de la ciudad sino que también la distribución de la población en las diversas comunas, la necesidad de servicios de la ciudadanía, y los patrones de movilidad urbana dentro de la ciudad. Frente al fenómeno de crecimiento, la ausencia de políticas de regulación y la creciente necesidad de viajes dentro de la ciudad, el presente estudio busca analizar cómo el desarrollo de la ciudad, la segregación socio-espacial y la movilidad urbana, han afectado a los distintos sectores de la población configurando oportunidades desiguales en el acceso a las actividades del diario vivir.

location of the places where they can earn an income or satisfy their needs [3]. The territory’s demographic and urban characteristics to be studied are key variables that determine everyday mobility patterns within the city, as well as the accessibility levels to the activities that are carried out in it. Therefore, it is essential to study the differences in the opportunities of mobility and transportation of different social classes or sectors of the city. The study of variables such as income of the citizens, urban density, land-use policy, motorization rates, and road infrastructure quality are key to generate more inclusive transport and urban policies that address inequality within the city. Throughout the past decades, Santiago has been characterized by an intensive growth of its urban sector towards its periphery, a low level of planning in the use of land in each sector, and unequal levels of investments in the different municipalities. The latter, added to the evolution of mobility needs, the increase in motorization rates, the rise in congestion rate and the sustained increase in travel time, has transformed the city in an urban and transportation challenge. Santiago’s population has increased from 3,902,329 citizens in 1982 to 7,007,630, according to INE’s projections for 2012 [4]. This has not only altered the development of the city, but also the population distribution within the different municipalities, the need of citizen services, and the urban mobility patterns within the city. Taking into account the growth phenomenon, the lack of regulatory policies, and the increasing need of transportation within the city, the present study seeks to analyze how the city’s development, socio-spatial segregation and urban mobility, have affected different sectors of the population, creating unequal opportunities to access daily living activities.

2. METODOLOGÍA Y CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO

2. METHODOLOGY AND CHARACTERIZATION OF AREA OF STUDY

En el presente trabajo se estudiarán ocho comunas que componen el Gran Santiago, las cuales se caracterizan por poseer diferentes patrones demográficos, económicos, y socio-espaciales, entre otros. Las comunas a considerar son: San Bernardo, Puente Alto, Quilicura, Maipú, La Florida, La Reina, Las Condes y Vitacura (Figura 1). Las ocho comunas seleccionadas para este estudio se encuentran en la periferia de la ciudad y están ubicadas en distintos extremos del límite urbano. Estas comunas se caracterizan por tener un alto grado de urbanización y gran concentración de población.

In the present work we will study eight municipalities that comprise Santiago, which are characterized for having different demographic, economic, and socio-spatial patterns, among others. The municipalities studied are: San Bernardo, Puente Alto, Quilicura, Maipú, La Florida, La Reina, Las Condes, and Vitacura (Figure 1). The eight municipalities selected for this study are located in the city’s periphery and in different ends of the urban limit. These municipalities are characterized by having high levels of urbanization and population concentration.


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Figura 1. Área de estudio. Figure 1. Area of study.

Los datos usados para realizar este estudio fueron obtenidos desde distintas entidades gubernamentales y académicas. Las principales fuentes fueron:

The data used to conduct this study were obtained from different government and academic entities. The main sources were:

• •

• •

CENSO 1982, 1992, 2002 y 2012 [4]. Encuesta Origen-Destino 2001, actualizada el año 2006 [5]. Datos disponibles en Observatorio Urbano del Ministerio de Vivienda y Urbanismo [6].

Tomando como base los datos antes mencionados, se analizaron y compararon distintas variables que caracterizan la movilidad urbana de las distintas comunas. Consecuentemente, se llevó a cabo un análisis de los resultados obtenidos. En todos los gráficos y tablas las comunas usadas están ordenadas según el ingreso promedio familiar de la población que habita en ellas.

1982, 1992, 2002, and 2012 CENSUS [4]. Encuesta Origen-Destino 2001 (Origin-Destination Survey 2001), updated in 2006 [5]. Data available at the Observatorio Urbano del Ministerio de Vivienda y Urbanismo (Urban Observatory of the Ministry of Housing and Urban Planning) [6].

Taking these data as baseline, we analyzed and compared different variables that characterized the urban mobility of the different municipalities. Subsequently, we analyzed the results obtained. In all tables and graphs, municipalities are listed according to the average household income of their resident population.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

A continuación, se examinan las ocho comunas en relación a cinco ejes de análisis: mercado del suelo, migración campo-ciudad y ciudad-ciudad, crecimiento comunal, configuración espacial del Gran Santiago Urbano y condiciones de movilidad.

Next, we examined the eight municipalities according to five analysis points: land market, rural-urban/urbanrural migration, municipality growth, Santiago’s spatial configuration, and mobility conditions.

3.1. El Mercado del Suelo

3.1. Land Market

El suelo urbano se caracteriza por ser un producto cuasiúnico, inamovible, con oferta limitada, de stock estable a corto plazo y con una alta demanda por parte de la población. Por otro lado, es un producto cuyo valor monetario no está

Urban land is characterized for being an almost-unique product, unmovable, of limited offer, of short-term stable stock, and in high demand by the population. Also, it is a product whose monetary value is not only determined


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determinado estrictamente por características intrínsecas del espacio, como superficie o capacidad de uso con fines comerciales, sino que además está dada por peculiaridades del entorno en donde se sitúa como accesibilidad del lugar, accesibilidad a servicios, composición socio-económica de la población que allí se sitúa, entre otras. Dicha característica del mercado del suelo, ha generado diversos fenómenos demográficos y urbanos que han sido las columnas vertebrales en la construcción del Gran Santiago Urbano y su desigualdad. Uno de los fenómenos más notorios que se observa es el proceso de migración de la población de escasos recursos desde los sectores céntricos de la ciudad hacia la periferia, siendo reemplazados por sectores de estratos socioeconómicos con mayor poder adquisitivo. Este fenómeno se denomina gentrificación y su consecuencia principal ha sido la revalorización del suelo urbano en sectores céntricos de la ciudad, potenciando las grandes diferencias en la valorización del suelo en dichos espacios. Tal como señala [7], el valor del suelo urbano ha ido creciendo en forma constante y por sobre las tasas de crecimiento de la economía en los últimos veinte años. Ejemplo de ello es el 250% de alza que tuvo el precio promedio real del suelo en la Región Metropolitana entre los años 1990 y 2004, incremento que fue especialmente marcado entre 1990 y 1996, ciclo de crecimiento de la economía. En relación con lo anterior, se ha generado también un proceso de zonificación socio-económica de la ciudad como resultado del uso del mercado como única forma de valorización del suelo y de la ausencia de políticas de regulación urbana. En este sentido, como consecuencia de las grandes diferencias en precio de las distintas zonas de la ciudad, se ha producido un fenómeno de segmentación del mercado del suelo. Debido a esta segmentación, los sectores de menores ingresos se han visto obligados a habitar en las periferias norte y sur de la ciudad (Puente Alto, San Bernardo, Quilicura, Renca, entre otros) debido a su menor valor. Por otro lado, la población de clase media y media-alta, se ha concentrado en comunas más cercanas al núcleo de la ciudad (San Miguel, Maipú, La Florida, Ñuñoa, entre otras) teniendo así mayor acceso a servicios y comercio. Por último, los sectores más acomodados se han aglomerado en el sector nororiente, el cual posee mayores niveles de urbanización, mayor inversión en infraestructura pública y seguridad, entre otros privilegios. De esta forma, como consecuencia de un bajo nivel de regulación urbana y del proceso de segmentación intrínseco a una economía de mercado, se ha generado una ciudad fuertemente segregada, con comunas compuestas por población fuertemente homogénea socio-económicamente.

by the space’s qualities, such as the area or its potential for commercial use, but by the unique qualities of its surroundings, such as accessibility of the location, access to services, and socio-economic structure of the area’s population, among others. These land market qualities have generated different urban and demographic phenomena that are the sustaining pillars in the structure of Santiago and its inequality. One of the most notorious phenomena observed is the migratory process in which low-income population moved from the center of the city towards its periphery and is replaced by a socio-economical group with higher purchasing power. This phenomenon is called gentrification, and its main consequence has been the revaluation of urban land in the downtown area of the city, fostering significant differences in land valuation in such areas. As [7] points out, the value of urban land has increased constantly and over the economy’s growth rate in the last twenty years. An example of this is the 250% increase of the average real price of land in the Metropolitan Region between 1990 and 2004, an increase especially strong from 1990 to 1996, which corresponds to an economic growth cycle. Related to this, a socio-economical zoning process of the city has also taken place as a result of the use of the market as the only form of land valuation, as well as the absence of urban regulation policies. In this sense, a land market segmentation phenomenon has occurred as a consequence of the significant price differences in the areas of the city. Due to this segmentation, lower-income sectors have been forced to live in the city’s northern and southern peripheries (Puente Alto, San Bernardo, Quilicura, Renca, among others) because these areas have lower prices. On the contrary, middle and upper-middle class populations have concentrated in the municipalities closer to the city’s downtown area (San Miguel, Maipú, La Florida, Ñuñoa, among others), in order to have better access to commerce and services. Finally, affluent sectors have concentrated in the north-western area, which has higher urbanization levels, as well as more investment in public infrastructure and safety, among other benefits. In this way, as a result of a low level of urban regulation and the segmentation process inherent to a free market economy, the city has become more segregated, with some municipalities consisting of highly homogeneous population in socio-economical terms.

3.2. El doble proceso de migración: campo-ciudad y ciudad-ciudad

3.2. Double Migration Process: City-to-Countryside and City-to-City

Los cambios que la globalización ha producido en la economía han transformado a los grandes centros urbanos

The changes globalization has produced in the economy have turned major urban centers into key players in the


Investigaciones de los alumnos / 81

en actores claves en el desarrollo de los países, convirtiendo a las ciudades en depositarias de las principales fuentes de empleo y servicios. Consecuentemente, la presión por ganar “acceso a la ciudad” está creciendo, con todos los beneficios y costos personales y sociales que implica vivir en las áreas urbanas [7]. En este sentido, tal como lo plantea Echenique [8], el proceso de crecimiento de Santiago, al igual que el de cualquier núcleo urbano desarrollado, era un fenómeno esperable y totalmente predecible. El aumento de la población que migró en busca de oportunidades desde sectores rurales a la ciudad aumentó la cantidad de familias sin hogar en Santiago y, por consiguiente, la necesidad de sectores urbanos donde habitar. Dichas familias, provenientes de zonas rurales y mayoritariamente de escasos recursos, se ubicaron en distintas zonas del Gran Santiago Urbano, concentrándose en tomas de terrenos desocupados o como allegados en casas de familiares o conocidos. El Gobierno, como forma de acabar con el problema de “los sin techo”, potenció diversos programas para la obtención de la casa propia, generando un gran número de subsidios de vivienda. De esta forma, se generó un segundo proceso de migración caracterizado por ser interno a la ciudad (migración ciudad-ciudad), y en el cual familias de distintos sectores de Santiago se movieron desde zonas céntricas del Gran Santiago Urbano hacia sectores periféricos del mismo.

development of countries, turning cities into main sources of employment and services. Thus, the pressure to gain “access to the city” has grown, with all the benefits and personal and social costs that living in urban areas entails [7]. In this sense, as Echenique points out [8], Santiago’s growth process, just as that of any developed urban center, was an event anticipated and completely foreseeable. The growth of population that migrated from rural areas to the city in search of opportunities increased the quantity of homeless families in Santiago, and thus, the need of urban sectors for them to inhabit. These families, coming from rural areas and mostly low income, relocated in different parts of the city, concentrating in slum settlements in unoccupied land or living as house-guests with relatives or friends. The government, in an effort to end the problem of people “without a roof ”, sponsored different home-ownership programs, generating a significant number of housing benefits. This resulted in a second migration process characterized by occurring within the city’s own limits (city-to-city migration), and in which families from different areas of Santiago moved from the center of the city to its periphery.

3.3. Crecimiento comunal como resultado de la migración ciudad-ciudad

3.3. Municipality Growth as a Result of City-to-City Migration

Entre el año 1982 y 2002 la ciudad de Santiago tuvo un crecimiento total de un 49% de su población [4]. Este proceso de crecimiento no fue homogéneo dentro de las diversas comunas del Gran Santiago ni tampoco se expandió de igual forma en todas las direcciones de los límites de la ciudad. Las velocidades de dicho crecimiento mostró un patrón diferencial a nivel comunal [9], lo cual generó una mayor concentración de población en algunas comunas que en otras, principalmente de los sectores sur-oeste y sur-este de la ciudad. En 1982, un 24% de los campamentos estaba ubicado en el barrio alto y en Santiago Centro, lo que reducía el tiempo y costo de transporte y ampliaba las oportunidades para acceder a mejores empleos, servicios o espacios públicos [10].

Between 1982 and 2002, Santiago had a total population growth of 49% [4]. This growth process was not heterogeneous within the city’s different municipalities, nor did it expand equally towards all different directions of the city’s limits. The speed of that growth revealed a differential pattern at a municipality level [9], which generated greater population concentrations in certain communes over others, mainly in the south-west and south-east areas of the city. In 1982, 24% of the slum settlements were located in upper-class neighborhoods and in downtown Santiago, which reduced the transportation time and cost, and increased opportunities to access better jobs, services and public spaces [10].

La Tabla 1 muestra la diferencia en el crecimiento poblacional para las comunas de estudio. Se puede observar que las comunas del sector sur presentan un crecimiento poblacional sobre el 500% para el periodo 1982-2010 lo cual se puede contrastar con el bajo porcentaje de crecimiento en el sector nororiente de la ciudad en el mismo periodo. Este crecimiento desbalanceado de las comunas se debió principalmente al proceso de migración Ciudad-Ciudad que se desarrolló en Santiago, el cual se caracterizó por un traslado de la población de menores recursos hacia la periferia.

Table 1 shows the difference in population growth for the municipalities under study. It can be observed that the municipalities in the southern area show a population growth of over 500% for the period 1982-2010, which can be compared to the low growth percentage in the northwestern area of the city during the same period. The unbalanced growth was due mainly to the City-to-City migration process developed in Santiago, defined by the movement of low-income population to the periphery of the city.


82 / Investigaciones de los alumnos

Table 1. Evolution of communal population growth in percentage. Source: Compiled by author according to data obtained from [4]. Year

1982-1992

1992-2002

2002-2010

1982-2002

1982-2010

56.5

22.1

24.3

91.1

137.6

San Bernardo Puente Alto

168.5

62.1

44.7

335.1

529.7

Quilicura

161.5

114.0

62.0

459.7

806.7

Maipú

162.8

56.2

72.0

310.4

605.9

La Florida

74.6

9.1

9.2

90.6

108.0

La Reina

14.7

4.9

-0.5

20.3

19.6

Las Condes

21.7

16.8

14.5

42.2

62.9

9.3

3.5

-1.5

13.1

11.4

Vitacura

Las principales causantes del fenómeno de migración de la población de menores recursos hacia la periferia fueron el uso del mercado como elemento de distribución del suelo urbano, las políticas gubernamentales aplicadas desde la década del ochenta en cuanto a vivienda y urbanismo, específicamente la política de Vivienda Social instaurada en la dictadura militar y continuada en los gobiernos de la Concertación, y las políticas de regulación urbana existentes en el Gran Santiago Urbano. Un último factor que si bien no es explicativo del fenómeno, pero que sí facilitó el proceso de expansión de la ciudad hacia sus límites, fue la liberalización del sistema de transporte público de Santiago y el aumento de las tasas de motorización [11]. Esta mayor disponibilidad de movilidad hacia las afueras de la ciudad volvió accesible habitar en las periferias, facilitando la migración de la población.

The main causes of the migration phenomenon in which the low-income population moved to the periphery were the use of the market as a tool to distribute urban land; the government’s housing and urban policies applied during the 80’s, especially the social housing policy created during the military dictatorship and that continued during the government of the Concertación (congregation of leftwing political parties); and the urban regulation policies in urban Santiago. A last factor that, while it does not explain the phenomenon, did facilitate the expansion process of the city towards its limits, was the deregulation of the public transportation system, as well as the increase of the motorization rates [11]. This higher availability of mobility opportunities to the city’s outskirts made the peripheries accessible, and thus habitable, facilitating the migration of the population.

3.3.1. La política de vivienda social

3.3.1. Social Housing Policy

Durante los años noventa, el Ministerio de Vivienda y Urbanismo (MINVU) fue responsable de alrededor del 30% de las viviendas construidas por año y financió a través de vouchers otro 30%. Si bien dicho aumento de producción de viviendas disminuyó el déficit habitacional pasando de 919 mil familias allegadas en el país a 743 mil, la política intensiva de Vivienda Social de la época no consideró los efectos urbanos que conllevaba [12]. Debido a la priorización de la cantidad por sobre la calidad, los programas de erradicación de campamentos implementados significaron traslados masivos de poblaciones de escasos recursos localizadas en áreas centrales de la ciudad hacia la periferia [13]. Como resultado de este fenómeno de migración de la población, se generó un proceso de crecimiento irregular de la misma, la cual al no tener un límite urbano efectivamente regulado, expandió sus límites sin ninguna planificación evidente. Dicho proceso de expansión se conoce internacionalmente como urban sprawl o “dispersión urbana” y se caracteriza por la expansión del límite urbano debido a la migración de la población desde el núcleo urbano hacia la periferia, lo cual aumenta el porcentaje de la población que reside en las afueras de la ciudad y disminuye la densidad urbana de la misma.

During the 90s, the Ministry of Housing and Urban Planning (MINVU for its acronym in Spanish) was responsible for approximately 30% of the dwellings built per year, and financed another 30% through vouchers. Although this increase in construction reduced the housing deficit from 919,000 homeless families to 743,000, the intensive social housing policy of that time did not take into consideration the urban effects it would entail [12]. Due to the prioritization of quantity over quality, the slum eradication programs carried out ended up in massive moves of low-income population located in the center of the city, towards its periphery [13]. As a result of this migratory phenomenon, an irregular population growth process took place, which, since it did not have an effectively regulated urban limit, expanded its limits without any planning whatsoever. This expansion process is internationally known as urban sprawl and is characterized by the expansion of the urban limit due to the migration of the population from the urban area towards the periphery, which increases the percentage of the population that resides in the city’s outskirts, as well as decreases urban density.


Investigaciones de los alumnos / 83

3.3.2. Crecimiento urbano y regulación

3.3.2.- Urban Growth and Regulation

En 1979 se aprobó la eliminación del límite urbano a través de la aprobación Decreto Supremo 420 del MINVU y de la aprobación de la Política Nacional de Desarrollo Urbano. A través de esta medida se formularon principalmente tres consideraciones prácticas, las cuales fueron [14].

In 1979 the elimination of the urban limit was confirmed through the approval of MINVU’s Supreme Decree 420 and the approval of the National Policy of Urban Development. From this measure, three practical considerations were developed, which correspond to [14].

1. El suelo urbano pasó a ser concebido como un recurso no escaso. 2. La intervención del Estado en la planificación del suelo urbano pasó a ser mínima. 3. Se permitió que las ciudades y sus áreas urbanas crezcan en forma espontánea, siguiendo los cursos del mercado.

1. Urban land came to be conceived as a non-scarce resource. 2. State intervention in urban land planning became minimal. 3. Cities and their urban areas were allowed to grow spontaneously in accordance to market conditions.

Como resultado, dicha medida no solo permitió, sino que además promovió, el desarrollo de proyectos en sectores periféricos de la ciudad, los cuales poseen un costo menor en comparación a zonas más céntricas. Por otro lado, autores como Petermann [15], aseguran que no es posible sostener que la expansión de Santiago se debe a la eliminación del límite urbano, sino que ha sido un proceso que data desde antes de la Política Nacional de Desarrollo Urbano de 1979. Si bien no existe consenso sobre la relevancia que tuvo la regulación del límite urbano para el crecimiento de la ciudad, sí se puede observar que las políticas implementadas permitieron el crecimiento de la ciudad hacia sus límites de manera poco controlada. La Tabla 2 muestra el crecimiento de la mancha urbana para el periodo 1991-2002 para las diferentes comunas de estudio. Se observa que las comunas de la zona sur de Santiago sufren un proceso de expansión mucho más acentuado que en el norte.

As a result, this measure did not only allow, but also fostered, the development of projects in areas of the city’s periphery, which cost less in comparison to areas in the city’s center. However, experts such as Petermann [15] affirm that it is not possible to sustain that Santiago’s expansion is due to the elimination of the city limit, because that it has been a process that predates the National Policy of Urban Development of 1979. Although there is no consensus regarding the importance of the regulation of the urban limit in the growth of the city, it can be observed that the policies implemented promoted the growth of the city towards its limits with very little control. Table 2 shows the growth of the urban spot for the 1991-2002 period for the different municipalities studied. It is observed that the municipalities in Santiago’s southern area suffer a process of expansion much more evident than its northern areas.

3.3.3. Influencia del transporte

3.3.3. Influence of Transportation

El proceso de urbanización del Gran Santiago se gestó de la mano con un proceso de liberalización del sistema de transporte público y de un fuerte aumento de la tasa de motorización en la ciudad. El Estado intervino activamente como productor y regulador de tarifas, rutas, y permisos

Santiago’s urbanization process was born in conjunction with the liberalization process of the public transportation system, and with a strong increase in the city’s motorization rate. The government actively intervened as producer and regulator of fees, roads, and operation permits for

Table 2. Urban Growth per Commune for 1991-2000. Source: Data obtained from [20]. Total Area (ha)

Growth between 1991- 2000

Percentage of Total

( ha)

(%)

San Bernardo

155,100

1,071.3

12.08

Puente Alto

88,200

1,480.4

12.29

Quilicura

57,500

1,686.3

13.99

Maipú

13,300

1,456

12.08

La Florida

70,800

178.8

1.48

La Reina

-

-

-

Las Condes

99,400

522.9

4.34

Vitacura

28,300

64

0.53


84 / Investigaciones de los alumnos

de operación de los transportistas privados hasta el año 1979. Durante esta etapa, la escasez de oferta fue crónica y la calidad del servicio era baja [11]. De esta manera, con una limitada extensión y calidad del sistema de transporte, resultaba imposible una expansión excesiva del Gran Santiago. Desde el año 1979 comienza la liberalización del sistema de transporte público, proceso que consistió en la libre entrada de proveedores al sistema, además de la definición privada de rutas y frecuencias, y desde 1983, de tarifas. La cantidad de máquinas circulando creció en un 40% entre 1979 y 1983, año de liberalización de la tarifa, y en un 50% entre 1983 y 1988. El aumento del número de buses durante los años ochenta benefició a los usuarios principalmente por el aumento en la cobertura del servicio y la disminución de los tiempos de espera [11]. Lo anterior, sumado a un aumento considerable de la tasa de motorización (ver sección 3.6.1), fue lo que en cierta medida posibilitó y potenció el crecimiento de la ciudad hacia sectores más alejados del centro.

private carriers until 1979. During this stage, the demand shortage was chronic and the quality of service, low [11]. Therefore, given the limited extension and quality of the transportation system, an excessive expansion of Santiago was impossible. The liberalization of the transportation system began on 1979, a process that consisted in the free entry of providers to the system, in addition to the private definition of roads and frequencies, and since 1983, of fees as well. The number of buses in circulation grew by 40% between 1979 and 1983 (the year fees were liberalized), and by 50% between 1983 and 1988. The increase in the number of buses during the 80s benefited users primarily in terms of service coverage and reduction in waiting times [11]. The latter, in addition to a significant increase in the motorization rate (see section 3.6.1), was what to a certain degree made possible and fostered the city’s growth towards areas away from the center.

3.4. Configuración demográfica y espacial del Gran Santiago Urbano

3.4. Santiago’s Demographic and Spatial Configuration

La configuración demográfica y espacial se analizará tomando en cuenta tres indicadores: distribución socioeconómica, distancia hacia el centro de la ciudad y densidad población (junto con infraestructura para servicios). 3.4.1. Distribución socio-económica de la población Uno de los síntomas más patentes del proceso de segregación y homogenización social, se vio reflejado en la distribución comunal de la población. La Figura 2 muestra el ingreso promedio por hogar de las distintas comunas de estudio. En este se puede ver que una familia de Vitacura, en promedio, tiene un ingreso seis veces superior a una familia de San Bernardo o Puente Alto.

Santiago’s demographic and spatial configuration will be analyzed taking into consideration three indicators: socioeconomic distribution, distance to the city’s center, and population density (along with service infrastructure). 3.4.1. Socio-economic Distribution of the Population One of the most evident signs of the segregation and social homogenization process was revealed in the municipal distribution of the population. Figure 2 shows the average income per home of the different communes studied. In it, it can be observed that a family in Vitacura has an average income six times higher than a family in San Bernardo or Puente Alto.

Figura 2. Ingreso promedio por hogar 2006. Nota: Ingreso Autónomo Promedio + Subsidios Monetarios Promedio del Estado por hogar. Fuente: Elaboración propia con datos obtenidos de [21]. Figure 2. Average income per household in 2006. Note: Average independent income + Average government subsidized public assistance per home. Source: Compilation based on data obtained from [21].


Investigaciones de los alumnos / 85

Figura 3. Distancia por comuna a tres puntos céntricos de Santiago. Figure 3. Distance per municipality to Santiago’s three central points.

3.4.2. Distancia hacia el centro de la ciudad

3.4.2. Distance to City’s Center

Como se mencionó anteriormente, existe una clara tendencia a que entre más distante se encuentre un espacio a los principales núcleos urbanos de la ciudad, este tiene un menor precio. Por lo mismo, la población de menores recursos, con limitado poder adquisitivo para comprar viviendas cercanas a sectores más céntricos se ve obligada a migrar a la periferia de la ciudad. En la Figura 3 se evidencia la distancia de cada comuna a tres puntos céntricos de la ciudad con su respectiva línea de tendencia.

As previously stated, there is a clear trend that indicates that the more distant a space is from the city’s urban center, the lower its price is going to be. Therefore, lowerincome population with limited purchasing power to buy homes closer to central areas are forced to migrate to the city’s periphery. Figure 3 shows the distance of each municipality to three central points in the city with its respective trend line.

3.4.3. Densidad poblacional e infraestructura para servicios

3.4.3. Population Density and Service Infrastructure

El sprawl desarrollado en la ciudad de Santiago género un aumento considerable en la densidad poblacional en zonas alejadas del centro de la ciudad. Junto con esto, la construcción masiva de viviendas de menor tamaño potenció una fuerte aglomeración urbana y hacinamiento. En la Figura 4 se muestra el área construida con fines habitacionales por habitante.

The urban sprawl in Santiago generated significant population density in areas away from the city’s center. Along with this, the massive construction of smaller housing fostered a strong urban clustering and overpopulation. Figure 4 shows area built for housing purposes per citizen.

Figura 4. Área construida con fines habitacionales por habitante. Figure 4. Area built for housing purposes per citizen.


86 / Investigaciones de los alumnos

Figura 5. Área construida para comercio y servicios por habitante. Figure 5. Area built for commerce and service per citizen.

Por otro lado, al llevar a cabo la evaluación social de la implementación de zonas residenciales en sectores alejados del centro de la ciudad, no se consideró el costo de implementar la infraestructura necesaria en dichas zonas [12]. Esto generó que un gran porcentaje de la población, que migró buscando una casa propia, no tan solo se alejara de los puntos de desarrollo de sus actividades, sino que además migrara a zonas con poca accesibilidad a servicios dentro del mismo sector. La Figura 5 muestra el área construida para servicios y comercio por habitante, donde se refleja una menor disponibilidad de infraestructura con dichos fines. Esto repercute directamente en la calidad de vida de las personas que habitan el lugar.

Moreover, to perform the social evaluation of the implementation of the residential zones in areas away from the city’s center, the costs of implementing required infrastructure in these zones was not considered [12]. This meant that a significant percentage of the population, which migrated seeking home ownership, not only distanced themselves from the places where they carried out their activities, but also migrated to zones with low access to services. Figure 5 shows the area built for services and commerce per citizen, which reveals a lower availability of infrastructure for these purposes. This directly affects the quality of life of the people that inhabit the place.

3.5. Condiciones de la Movilidad Urbana en el Gran Santiago

3.5. Urban Mobility Conditions in Santiago

El transporte es una de las principales herramientas para superar las desigualdades en accesibilidad a los distintos sectores de la ciudad. Esto se debe a las posibilidades que ofrece para conectar los distintos sectores de la ciudad y, por ende, ampliar el acceso a sus diferentes funcionalidades. En este sentido, es prioritario promover un sistema de transporte que sea capaz de superar las asperezas de la configuración urbana de la ciudad en una ciudad tan segregada y desigual desde el punto de vista urbano.

Transportation is one of the main tools to overcome accessibility inequality to the city’s different sectors. This is due to the opportunities it offers to connect different areas of the city, and thus, expand the access to its different functionalities. In this sense, it is essential to foster a transportation system that is capable of overcoming the challenges presented by the city’s urban configuration, so segregated and unequal from the urban point of view.

3.5.1. Evolución del Parque Automotriz

3.5.1. Evolution of the Total Number of Vehicles

La tasa de motorización de la población ha aumentado fuertemente como resultado de las altas tasas de desarrollo, el aumento del ingreso de las familias y la disminución de la pobreza. Si bien dicho fenómeno ha sido algo transversal en la sociedad chilena, se ha visto particularmente acentuado en los estratos sociales más altos de la población. En la Figura 6, se evidencia la evolución de la cantidad de vehículos livianos particulares desde el año 1992 al año 2010 y la evidente desigualdad en el acceso a transporte privado.

The motorization rate of the population has increased strongly as a result of high development rates, higher household incomes, and less poverty. Even though this phenomenon has affected more or less all Chilean society, it has been particularly strong in the population’s upper classes. Figure 6 shows the evolution of the number of private lightweight vehicles from 1992 and 2010, and the evident inequality in the access to private transportation.


Investigaciones de los alumnos / 87

Figura 6. Evolución de la cantidad de autos por habitante en el tiempo. Figure 6. Evolution of the number of cars per inhabitant in time.

3.5.2. Partición Modal

3.5.2.- Modal Share

Con el aumento de la población y del ingreso promedio del país, la composición de la demanda por medios de transporte, llamada partición modal, se vio notablemente reestructurada. Si bien aumentaron los viajes tanto en transporte público como en transporte privado, el número de viajes en automóvil creció mucho más. En la Figura 7 se puede observar que en las comunas de mayores ingresos existe una predominancia del auto privado como modo de transporte, lo cual es coherente con la alta tasa de motorización del sector.

With the increase in the country’s population and average income, the configuration of the demand for means of transportation, called modal share, was noticeably restructured. Even though both public and private transportation travel increased, the number of automobile travel increased much more. Figure 7 reveals that, in municipalities with higher incomes, private cars prevail as means of transportation, which is consistent with the high motorization rate of those areas.

Con respecto al uso del bus como medio de transporte, se puede observar que existe una distribución uniforme a nivel comunal, siendo demandado de igual manera por los distintos sectores. Además, se observa que los viajes realizados caminando por comuna son dominantes en los sectores menos acomodados. Dicha tendencia es consecuente con la idea de que a mayor ingreso, las familias pueden optar por desplazamientos de mayor distancia, accediendo a servicios fuera de su entorno, lo cual no siempre es así para familias de menores ingresos. Estas últimas por sus limitaciones económicas se ven obligadas a acceder a los servicios que se encuentran disponibles en su entorno más próximo. Si se contrasta lo anterior con el área construida por habitante, tanto para servicios como para comercio, se puede concluir que las familias de más recursos, además de tener mayor cantidad de infraestructura en su entorno, tienen mayores posibilidades de acceder a servicios fuera de su propio sector debido a sus posibilidades de transporte.

With respect to using the bus as means of transportation, it can be observed that there is a uniform distribution at the municipal level, the demand being similar in different areas. In addition, we noted that travel done by walking per municipality prevails in less affluent sectors. This trend is consistent with the idea that at higher incomes, families can choose to travel farther distances, accessing services outside their surroundings, which is not always an option for lower income families. Because of their economic restraints, these families can only access services that are available in their immediate surroundings. If the latter is compared with the areas built per citizen, both for services and commerce, it can be concluded that families with more financial resources, in addition to having more infrastructure in their surroundings, also have more opportunities to access services outside their own sector due to their transportation options.


88 / Investigaciones de los alumnos

Figura 7. Porcentaje de uso de los principales modos de transporte. Fuente: Elaboración propia con datos obtenidos de [5]. Figure 7. Percentage per use of the main means of transportation. Source: Compilation based on data obtained from [5].

3.5.3. Tiempo de viaje

3.5.3. Travel time

El tiempo es un recurso escaso y, por ende, es uno de los costos más relevantes al momento de transportarse y tomar decisiones como la ruta a seguir, el modo de transporte a utilizar y la disposición a pagar. En la Figura 8 se evidencia que existe una clara tendencia entre mayor ingreso, menor distancia y menor tiempo de viaje. Por otro lado, en la Figura 9 se puede observar una clara tendencia a un menor tiempo de viaje en transporte privado para los sectores de mayores ingresos. Esto se podría explicar por la mayor cercanía de dichos sectores a los núcleos de actividades de la ciudad y por la presencia las autopistas urbanas que conectan dichas zonas. Por otro lado, con respecto a los tiempos de viaje en transporte público, se observa que no existe una tendencia clara entre ingreso y tiempo de viaje. A pesar de que los viajes en comunas de mayores ingresos son de distancias más cortas, estos requieren de un tiempo similar (inclusive levemente mayor) a los de comunas de menores ingresos. Dicha tendencia se podría explicar principalmente por los altos niveles de congestión a los que se ven sometidas comunas como Las Condes y Vitacura.

Time is a scarce resource, and thus, is one of the more relevant costs when considering transportation and making decisions such as the roads to be taken, transportation means, and disposition to pay. Figure 8 shows that there is a clear trend that, at higher incomes, there are shorter distances and less travel time. Furthermore, in Figure 9, it can be observed a clear trend of less travel time in private transportation for sectors with higher incomes. This can be explained by the proximity of these sectors to the city’s centers of activities, and for the existence of urban highways that connect these zones. In contrast, with respect to travel time in public transportation, it is observed that there is no clear trend between income and travel time. Despite the fact that travels in municipalities with higher incomes are shorter in terms of distance, these require a similar time (and sometimes even slightly higher) to that of lower income municipalities. This trend could be due mainly to the high levels of traffic congestion affecting municipalities such as Las Condes and Vitacura.

Figura 8. Tiempo de viaje promedio por comuna, sin contar viajes caminata. Figure 8. Average travel time per communes, not including walking.


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Figura 9. Tiempo de viaje en transporte público y transporte privado. Figure 9. Travel time in public transportation and in private transportation.

Con el objetivo de contrastar la información sobre el lugar donde trabaja la población de cada comuna y los tiempos que ocupa en movilidad, se construyó la Figura 10. En ella se puede observar una clara tendencia de menores tiempos de viaje, tanto en transporte público como en transporte privado, para los sectores de mayores ingresos. Si bien, en el caso de los viajes en transporte privado la diferencia es menor, se puede observar que la disponibilidad de dicho modo de transporte para sectores de escasos recursos es bastante menor en comparación con los sectores más acomodados (ver Figura 11). Con respecto al tiempo de viaje en transporte público, se evidencia una mayor diferencia para las comunas de Las Condes y Vitacura, con un tiempo de viaje considerablemente menor al resto de las comunas. Esto se puede ver explicado principalmente por la cercanía de dichas comunas a los puestos de trabajo de su población los cuales se concentran en Santiago, Providencia y Las Condes.

Figure 10 was created with the goal of comparing information regarding the place where the population of each municipality works and the time they take to commute. In this figure, a clear trend can be observed of shorter travel times, for both private and public transportation, in higher income sectors. Even though in the case of private transportation travels, the difference is less significant, it can be observed that the availability of this means of transportation for lower income sectors is much lower in comparison to higher income sectors (See Figure 11). With respect to travel time in public transportation, a significant difference is evident for the communes of Las Condes and Vitacura, with a travel time considerably shorter than the rest of the communes. This can be explained primarily by the proximity of these municipalities to their population’s workplaces, which are concentrated in Santiago, Providencia, and Las Condes.

Figura 10. Tiempo de viaje al trabajo en transporte público y transporte privado. Figure 10. Travel time in public transportation and in private transportation.


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Figura 11. Porcentaje de los viajes al trabajo en transporte público y transporte privado. Figure 11. Percentage of travel to workplace in public transportation and in private transportation.

Por último, se analizaron los tiempos de desplazamiento desde las ocho comunas de estudio hacia las comunas de Santiago, Providencia y Las Condes (Figuras 12 y 13). Estas tres comunas corresponden a las principales comunas que atraen viajes tanto en transporte público como en transporte privado. En las Figuras 12 y 13 se observa una diferencia importante en el tiempo necesario para acceder a las comunas de estudio. Esta diferencia se ve más acentuada en el tiempo necesario para acceder a la comuna de Las Condes, seguida por el tiempo necesario para acceder a la comuna de Providencia y, por último, a la comuna de Santiago.

Lastly, the travel times from the eight municipalities studied to the municipalities of Santiago, Providencia, and Las Condes, were analyzed. (Figure 12 and 13). These three municipalities are the ones that most attract travels in both public and private transportation. Figure 12 and 13 reveal an important difference in the time needed to access the municipalities studied. This difference is even more noticeable in the time needed to access Las Condes municipality, followed by the time needed to access Providencia municipality, and finally, Santiago municipality.

La comuna de Santiago ha sido históricamente el sector con mayor tasa de atracción de viajes por trabajo. Sin embargo, estos se han visto acentuados por dos fenómenos de cambio de locación de la fuente de empleo que resultan de relevancia. Por un lado, cada comuna ha generado núcleos comerciales que han permitido generar mayor fuentes de empleo a nivel intracomunal [16]. Esto se debe al crecimiento del ingreso de la población y el consecuente aumento de la demanda en los distintos sectores de la ciudad. Por otro lado, durante los últimos años se ha observado un incremento en la atracción de viajes por trabajo por parte de la comuna de Providencia, Las Condes y Vitacura.

The municipality of Santiago has historically been the sector with the highest attraction rate for workplace travel. Nevertheless, it has been affected by two phenomena in relation to changes in the location of employment source which are relevant. On the one hand, each municipality has created commercial centers that have generated more employment sources at an inter-municipal level [16]. This is due to the increase in the population’s income and the corresponding increase in demand by the different sectors of the city. On the other hand, throughout the last couple of years, an increase in workplace travels to the municipalities of Providencia, Las Condes, and Vitacura has been observed.

El centro del Gran Santiago se ha especializado en servicios de carácter mayormente empresarial (bancarios, judiciales, administrativos, etc.), ampliándose también a un centro extendido que alberga el resto de las actividades (comercio, recreación, cultura, etc.) el cual va más allá de las ocho cuadras que rodean a Plaza de Armas [16]. Este fenómeno de extensión va de la mano con la dispersión del comercio a nivel ciudad pero viéndose acentuado por las avenidas Providencia y Apoquindo. Esto se debe a que los sectores de mayores ingresos permiten sostener mayores niveles de

Santiago’s downtown specializes mainly in services of commercial nature (banks, courthouses, offices, etc.), expanding also to a center that houses all other activities (retail, leisure, culture, etc.), and which goes beyond the eight blocks that surround Plaza de Armas [16]. This phenomenon goes hand in hand with the dispersion of commerce at city level, but more significant in Providencia and Apoquindo avenues. This is due to the fact that sectors with higher incomes are able to sustain higher levels of demand; therefore, commerce


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Figura 12. Tiempos de viaje a Las Condes, Santiago y Providencia en transporte público. Fuente: Elaboración propia con datos obtenidos de [5]. Figure 12. Travel times to Las Condes, Santiago and Providencia in public transportation. Source: Compilation based on data obtained from [5].

Figura 13. Tiempos de viaje a Las Condes, Santiago y Providencia en transporte privado. Fuente: Elaboración propia con datos obtenidos de [5]. Figure 13. Travel times to Las Condes, Santiago and Providencia in private transporation. Source: Compilation based on data obtained from [5].

demanda y, por ende, el comercio seguirá principalmente a los hogares de mayor poder adquisitivo, concentrados en las comunas Providencia, Las Condes y Vitacura. El problema de este fenómeno de expansión del centro de la ciudad es que las comunas en donde se está expandiendo son específicamente las que presentan mayores diferencias en el tiempo de viaje desde los distintos sectores de la ciudad. Por lo mismo, su crecimiento como núcleos de actividades y de atracción de viajes también generaría un aumento en la desigualdad de los tiempos de transporte usados por la población. Esto perjudicaría principalmente a la población de menor ingreso, acentuando las diferencias en movilidad urbana dentro del Gran Santiago.

will follow primarily those households with higher purchasing power, concentrated in the municipalities of Providencia, Las Condes, and Vitacura. The problem with this expansion phenomenon is that the municipalities growing are specifically those that present the most significant differences in travel times from the different sectors of the city. For this reason, their growth as activity centers and travel attractions would also generate an increase in the inequality of transportation times. This would mainly harm lower income population, deepening the difference in urban mobility within Santiago.


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4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

A través del presente estudio, se ha mostrado cómo el proceso de desarrollo y construcción del Gran Santiago, derivado de distintos fenómenos demográficos y urbanos, ha configurado una ciudad caracterizada por una alta segregación socio-espacial y con grandes desigualdades en términos urbanos y de movilidad. En primera instancia, la política de vivienda social, sumada al constante incremento del valor del suelo en los sectores céntricos de la capital, generaron un proceso de migración de los sectores de menores ingresos del centro de la misma. Este fenómeno potenció no sólo el crecimiento del Gran Santiago, sino que además la segregación social a través de la conformación de amplias zonas socialmente homogéneas, donde hoy se generaliza la precariedad laboral y la exclusión social y política [17]. Por lo mismo, las políticas urbanas, no sólo de vivienda sino que también de suelo, deben reestructurarse para enfrentar un peligro que es capaz de devastar las comunidades de los barrios populares [18].

Through the present study, we have demonstrated how the process of development and construction of Santiago, influenced by different demographic and urban phenomena, has configured a city characterized by a high-level of socio-spatial segregation, and with significant inequality in urban and mobility terms. First, the social housing policy, in addition to the constant increase of land value of the capital’s center areas, fostered a migration process of the lowest-income sectors away from the center. This phenomenon promoted not only the growth of Santiago, but also its social segregation through the formation of ample, socially homogeneous zones, in which job instability and social and political exclusion are widespread [17]. For this reason, urban development policies, not only housing but also land management, must be restructured to face a danger capable of destroying the communities of popular neighborhoods [18].

Por otro lado, el desfinanciamiento de las entidades públicas encargadas de facilitar la movilidad urbana de la población en sectores populares, y la falta de inversión pública para la provisión de la infraestructura necesaria para comercio y servicios en los sectores periféricos de la ciudad, ha generado una menor accesibilidad a las diversas actividades habituales del diario vivir. Lo anterior, sumado al desplazamiento del núcleo comercial de la ciudad hacia el sector nororiente, ha aumentado considerablemente la desigualdad en los tiempos necesarios para transporte, perjudicando principalmente a las comunas del sur de la ciudad. Todo lo anterior se traduce en grandes diferencias en las posibilidades de acceso a la ciudad para los distintos segmentos de la población. Mientras los sectores acomodados tienen mayor facilidad para acceder a los distintos lugares de la ciudad debido a la disponibilidad del vehículo privado como medio de transporte, los sectores de menores recursos se ven limitados a acceder a servicios y comercio alcanzables caminando. Esto se suma a la limitada cantidad de servicios e infraestructura disponible en barrios populares, lo cual potencia a la ciudad como un espacio desigual tanto en términos urbanos como también de transporte. En este sentido, es posible afirmar que la ciudad es un espacio mercantilizado en el cual el acceso a ella depende de la capacidad económica del individuo. La posibilidad de acceder a una vivienda con buenos niveles de conectividad o de acceder a un medio de transporte de mejor calidad depende en gran medida de la capacidad económica del individuo. De esta forma, como resultado de la mercantilización de la ciudad y de la ausencia de políticas públicas que atiendan al derecho de la población al acceso a la ciudad, se ha construido

Futhermore, the lack of funding of public entities in charge of facilitating urban mobility of population in popular sectors, and the lack of public investments to provide the infrastructure needed for commerce and services in the city’s periphery have resulted in lower accessibility to different daily living activities. This, in addition to the displacement of the city’s commercial center towards its north-east sector, have considerably increase the inequality in time needed for transportation, harming mainly the municipalities in the southern part of the city. All the aforementioned results in significant differences in the different sectors’ access opportunities to the city. While affluent sectors have easier access to different areas of the city due to the availability of private vehicles as means of transportation, lower income sectors have limited access to service and commerce within walking distance. This adds to the limited number of services and infrastructure available in popular neighborhoods, which turns the city into an unequal space in both urban and transportation terms. In this sense, it is possible to affirm that the city is a commodified spaced in which access depends on the individual’s economic resources. The opportunity to access a house with good levels of connectivity and to access better means of transportation depend significantly on the individual’s financial capabilities. Therefore, as a result of the commodification of the city and the absence of public policies that address the population’s access to the city, a completely socio-economic segregated urban outlook that reveals inequality in urban and mobility terms has been developed. The population’s social and economic inequality is, on the one hand, the cause of the city’s actual segregation, but, on the other hand, it is also a consequence of it. Cities


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un panorama urbano totalmente segregado socioeconómicamente que muestra abismantes desigualdades en términos urbanos y de movilidad. La desigualdad social y económica de la población es por un lado causante de la actual segregación de la ciudad, pero por otro, también es resultado de la misma. Las ciudades con marcada diferenciación socio-espacial son ciudades injustamente estructuradas, en las que elevados niveles de segregación residencial se asocian con distribuciones polarizadas de riqueza y pobreza, de desigualdad de oportunidades de trabajo, de carencia de entornos saludables y de redes sociales de apoyo a los más pobres [19]. Por otro lado, el fraccionamiento, la homogenización de la población por sectores de la ciudad y la gran desigualdad, han generado además de una fragmentación socio-económica, un proceso de fragmentación cultural de la población que se manifiesta en fenómenos discriminatorios hacia los sectores de menores recursos [18]. Lo anterior repercute en una menor cohesión social, mayores niveles de división y mayor desconfianza entre los distintos sectores [17]. Por lo mismo, si se quiere avanzar en igualdad, integración y justicia social, resulta relevante remediar el panorama urbano construido tanto a través de políticas de vivienda que consideren de manera integral las necesidades del ciudadano como también a través de una política regulación urbana que promueva la integración social y un crecimiento sustentable de la ciudad. Así, resulta imperante promover políticas de transporte que faciliten la movilidad dentro del espacio urbano, ayudando así a disminuir la exclusión social que caracteriza a la ciudad de Santiago.

with significant socio-spatial differentiation are cities unjustly structured, in which high levels of residential segregation are associated with polarized distribution of wealth and poverty, inequality in job opportunities, and lack of healthy surroundings and social support networks for poor people [19]. Also, the fragmentation, the homogenization of the population by city sector, and the significant inequality, have generated a socio-economic fragmentation, a process of cultural fragmentation of the population that is manifested in discriminatory acts towards lower income sectors [18]. The latter results in a less social cohesion, higher levels of division, and more distrust among different sectors [17]. For this reason, if progress is to be made in terms of equality, integration, and social justice, it is important to redress the urban outlook built through housing policies that consider the needs of the citizens in a comprehensive manner, as well as through an urban regulation policy that fosters social integration and the city’s sustainable growth. Thus, it is imperative to raise transportation policies that facilitate mobility within the urban space, helping to reduce the social exclusion that characterizes the city of Santiago.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

La presente investigación se llevó a cabo bajo el Programa de Investigación en Pregrado durante el invierno de 2014 en un trabajo en conjunto con la Fundación TECHO. Los autores agradecen a Juan Correa, coordinador de Investigaciones Territoriales del Centro de Investigación Social de la Fundación TECHO, quien fue un pilar fundamental para el desarrollo del presente estudio.

The present research was performed under the Undergraduate Research Program during the 2014 winter in conjunction with Fundación TECHO. The authors would like to thank Juan Correa, Territorial Research coordinator of the Social Research Center of Fundación TECHO, who was a fundamental pillar for the development of the present study.


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GLOSARIO

Glossary

Gentrificación: Proceso de migración de la población de escasos recursos desde los sectores céntricos de la ciudad hacia la periferia, siendo reemplazados por sectores de estratos socio-económicos con mayor poder adquisitivo, trayendo consigo una renovación y revalorización del patrimonio urbano degradado. Urban sprawl: Proceso de crecimiento irregular de la ciudad hacia la periferia que disminuye la densidad urbana de la ciudad y expande sus límites. Zonificación: División de la ciudad en diversas secciones con características diferentes.

Gentrification: Migration process of low-income population from the center of the city to its periphery. They are replaced by people from economic strata with higher purchasing power, who renew and revalue the degraded urban patrimony. Urban sprawl: Irregular growth process of a city towards the periphery, reducing the city’s urban density and expanding its limits. Zonification: City division in different sections with different characteristics.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

En primera instancia, se realizó una revisión bibliográfica sobre el proceso de conformación urbana del Gran Santiago. Con dicha información, se construyó una caracterización cualitativa del proceso de formación de la ciudad dando énfasis en la distribución de la población dentro del espacio urbano. Posteriormente, se realizó una recolección de datos cuantitativos para llevar a cabo un análisis estadístico sobre distintas correlaciones entre fenómenos de movilidad y desigualdad que caracterizan a la ciudad de Santiago. Dichos indicadores sustentan el análisis cualitativo anteriormente realizado, evidenciando así grandes diferencias para los distintos sectores de la ciudad.

At first, a bibliographic revision of the urban formation process of Santiago was carried out. With this information, a qualitative characterization of the city’s formation process was developed, stressing population distribution within the urban space. Subsequently, quantitative data was collected in order to make a statistical analysis of the different correlations between the mobility and inequality phenomena that characterize Santiago city. These metrics support the qualitative analysis previously carried out, thus revealing great differences in the different areas of the city.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Omar Seguel

Patricia Galilea


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This image was made with VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/other software support. VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/ is developed with NIH support by the Theoretical and Computational Biophysics group at the Beckman Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign.

Simulaciones de dinámica molecular para una mezcla de ácido benzoico en agua: Relación entre posiciones interatómicas y solubilidad Molecular dynamics simulation for a mixture of benzoic acid in water: Relation between interatomic positions and solubility Raimundo Gillet1, Alumno de 6to año Angélica Fierro2, Profesor Asistente José Ricardo Pérez-Correa1, Profesor Titular Loreto M. Valenzuela1, Profesor Asistente

Raimundo Gillet1, 6th year student Angélica Fierro2, Assistant Professor José Ricardo Pérez-Correa1, Full Professor Loreto M. Valenzuela1, Assistant Professor

1 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Química Orgánica, Facultad de Química, Pontificia Universidad Católica de Chile *Autor de correspondencia: lvalenzr@ing.puc.cl

1 Department of Chemical and Bioprocesses Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Department of the Organic Chemistry, Chemistry Faculty, Pontificia Universidad Católica de Chile * Corresponding author: lvalenzr@ing.puc.cl


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RESUMEN

ABSTRACT

Los polifenoles son una familia de compuestos ampliamente distribuidos en vegetales. Sus propiedades antioxidantes, antivirales, antimicrobianas y antiinflamatorias han atraído el interés de la industria alimenticia, cosmética y farmacéutica. Su extracción óptima desde el material vegetal es un tema activo de investigación en ingeniería de procesos. Los compuestos polifenólicos contienen anillos aromáticos y grupos alcohólicos en su estructura, por lo que la mayoría de ellos presenta un comportamiento hidrofílico. Debido a estas características, el agua caliente presurizada es un solvente viable, seguro y amigable con el medio ambiente para su extracción. La simulación de dinámica molecular puede ser útil para representar y explicar la solubilidad de polifenoles en agua ya que la afinidad entre compuestos se representa por su atracción o repulsión intermolecular. El ácido benzoico es uno de los polifenoles más simples, y por tanto sus simulaciones de dinámica molecular no son complejas. Además, se han realizado estudios experimentales de su solubilidad, que se podrían comparar con los resultados de simulaciones de dinámica molecular. El propósito de este estudio fue explorar la aplicabilidad de simulaciones de dinámica molecular para predecir la solubilidad del ácido benzoico a distintas temperaturas, mediante el análisis de las distancias interatómicas y algunas de sus propiedades de equilibrio. Para ello, se efectuaron simulaciones a temperatura y presión constantes utilizando el software NAMD v2.9 y se analizó la interacción entre el agua y el ácido benzoico a distintas temperaturas. Los efectos de las interacciones intermoleculares se estudiaron a través de un análisis de energías, puentes de hidrógeno y funciones de distribución radial (RDF) una vez alcanzado el equilibrio, y los resultados fueron comparados con datos experimentales de solubilidad. Se observó que la cantidad promedio de puentes de hidrógeno formados aumenta a mayor solubilidad hasta llegar a un valor máximo.

Polyphenols are a family of chemical compounds widely distributed in plants. Their antioxidant, antiviral, antimicrobial and anti-inflammatory properties have attracted the interest of the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Therefore, their optimal extraction from plant material is an active research topic in process engineering. Polyphenol compounds contain aromatic rings and alcohol groups in their structure, leading to a hydrophilic behavior in most cases. Hence, pressurized hot water is a viable, safe and environmentally friendly solvent for their extraction. It is possible to study the affinity of polyphenols for water as a first approach to understand their aqueous solubility at different temperatures and pressures. Equilibrium affinity between compounds is represented by their intermolecular attraction or repulsion; therefore molecular dynamics simulations could be useful to better explain the solubility of polyphenols in water. One of the simplest polyphenol molecules is benzoic acid, which implies that its molecular dynamics simulations should be simple to perform. Also, there is a large amount of experimental data on the literature to compare its solubility with the simulation results. The purpose of this study was to explore the applicability of molecular dynamics simulations in predicting the solubility of benzoic acid in water at different temperatures by analyzing interatomic distances and some of its equilibrium properties. Molecular dynamics simulations were carried out at isothermal-isobaric conditions using the NAMD v2.9 software, and the interaction between water and benzoic acid was analyzed at different temperatures. The effects of intermolecular interactions were studied by means of an analysis of energies, hydrogen bonding and radial distribution functions (RDF), once the equilibrium was reached, and the results were compared with experimental solubility data. It was observed that the average amount of hydrogen bonds increases with increasing solubility until it reaches a maximum value.

Palabras clave: Ácido benzoico, solubilidad, dinámica molecular, RDF.

Keywords: Benzoic acid, solubility, molecular dynamics, RDF.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los polifenoles son una familia de compuestos naturales que durante las últimas décadas han recibido un creciente interés por parte de la industria y la comunidad científica debido a las propiedades antioxidantes que poseen. Se caracterizan por presentar en su estructura al menos un anillo aromático unido a uno o más grupos hidroxilo, y se pueden encontrar en frutas, verduras y hierbas. Los compuestos polifenólicos se relacionan directamente con

Polyphenols are a family of natural compounds that has received an increasing interest from industries and the scientific community in the last decades due to its antioxidant properties. They are characterized by the presence of at least one aromatic ring in their structure adhered to one or more hydroxyl, and can be found in fruits, vegetables, and herbs. Polyphenol compounds are directly related to the sensory features in food, such as


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características sensoriales en los alimentos como sabor, carácter astringente y color, y se ha demostrado que poseen propiedades antioxidantes, anti-inflamatorias y vasodilatadoras, entre otras [1]. Por dichos atributos, estos compuestos poseen una serie de aplicaciones industriales, tales como la producción de pinturas, papel y cosméticos, la fabricación de aditivos en la industria alimenticia como colorantes y preservantes, y también una serie de aplicaciones en la industria nutracéutica y farmacéutica [2]. El alto valor de los polifenoles hace evidente la necesidad de estudiar su actividad biológica y sus propiedades fisicoquímicas. En particular, la obtención de datos de su solubilidad en medio acuoso permitiría optimizar las técnicas que se utilizan para su extracción y mejorar el conocimiento acerca de sus mecanismos de acción en nuestro organismo. Sin embargo, las pruebas de laboratorio necesarias para obtener estos datos son costosas y requieren mucho tiempo de trabajo. Así, un análisis teórico del fenómeno de solvatación puede ser una alternativa para abaratar costos y disminuir los tiempos de trabajo. La solubilidad de un compuesto es una propiedad íntimamente relacionada a su interacción con el solvente donde se sitúa. Los fenómenos de solvatación y las propiedades de equilibrio de fases están dados principalmente por las interacciones interatómicas e intermoleculares tales como la formación de puentes de hidrógeno, interacciones de Van der Waals, interacciones coulómbicas y otras. Dichas interacciones han sido ampliamente estudiadas y modeladas, y actualmente existe la posibilidad de simularlas y representarlas fielmente mediante herramientas computacionales como la dinámica molecular, una técnica desarrollada y utilizada ampliamente durante las últimas décadas. Esta consiste en la representación computacional de un sistema de moléculas a través del tiempo donde se modela la interacción entre sus átomos a través de campos de fuerzas denominados force fields. Estos son una serie de funciones parametrizadas a partir de mediciones experimentales o basadas en modelos teóricos de interacción entre partículas. Así, mediante el cálculo de ecuaciones dinámicas se puede determinar la trayectoria que sigue cada átomo en el sistema, y con ella se puede calcular su energía, las distancias interatómicas y otras propiedades que se relacionan con la solubilidad.

flavour, astringency and colour, and their antioxidant, antiinflammatory and vasodilatory properties, among others, have been proved [1]. Because of said attributes, these compounds posses a number of industrial applications, such as paint, paper and cosmetics production; additive fabrication in the food industry, such as colouring agents and food preservatives, and a number of applications in the nutraceutical and pharmaceutical industries. The high prices of polyphenols are a clear evidence of the need to study their biological activity and physiochemical properties. In particular, obtaining data of polyphenol´s solubility in an aqueous medium would optimize the techniques used for their extraction, as well as improve the knowledge about their action mechanisms in our organism. Nevertheless, the laboratory tests needed to obtain these data are highly expensive, and require a lot of work time. Therefore, a theoretical analysis of the solvation phenomenon could be an alternative to decrease costs and work time. Solubility is a property closely related to the compounds interaction with the solvent in which it is situated. Solvation phenomena and the phase equilibrium properties are mainly caused by the interatomic and intermolecular interactions, such as hydrogen bond formation, Van der Waals interactions, Coulomb interactions, and others. These interactions have been thoroughly studied and modeled, and there is the possibility to accurately simulate and represent them nowadays by means of computational tools like molecular dynamics, a technique developed and highly used in the last decades. This technique consists in the computational representation of a molecule system in time, where the interaction between its atoms is modeled through force fields. These are a number of functions that are parameterized from experimental measurements or based on particle interaction theoretical models. In this way, through the calculation of dynamic equations the movement of each atom in the system can be determined, allowing the calculation of its energy, interatomic distances and other properties that are related with solubility.

Figura 1. Estructura del Ácido Benzoico y parámetros de ángulo y distancia en un puente de hidrógeno formado entre el grupo hidroxilo del ácido benzoico y una molécula de agua. Elaborado usando ChemSketch v14 [3]. Figure 1. Benzoic Acid structure and angle and distance parameters in a hydrogen bond formed between the benzoic acid’s hydroxyl and a molecule of water. Elaborated using ChemSketch v14 [3].


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Figura 2. Caja de moléculas generada, visualizada en el programa VMD v1.9.2 [5]. Las esferas rojas, blancas y grises representan átomos de oxígeno, hidrógeno y carbono respectivamente. La molécula de ácido benzoico se ubica al centro de la caja. Figure 2. Molecules box built, visualized in the VMD v1.9.2 [5] program. The red, white and grey spheres represent oxygen, hydrogen and carbon atoms respectively. The benzoic acid molecule is placed at the center of the box.

Uno de los polifenoles más simples es el ácido benzoico, lo que implica que sus simulaciones de dinámica molecular no debieran ser costosas en cuanto a tiempo de simulación. Además, se han realizado estudios experimentales de su solubilidad, que se podrían comparar con los resultados de las simulaciones. Por esto, dicho polifenol fue seleccionado como soluto en este trabajo. El propósito de este estudio es explorar la aplicabilidad de simulaciones de dinámica molecular para predecir la solubilidad del ácido benzoico a distintas temperaturas, mediante el análisis de las distancias interatómicas y algunas de sus propiedades de equilibrio.

One of the simplest polyphenols is benzoic acid, which means that its chemical simulations of molecular dynamics should not be expensive regarding simulation time. In addition, there have been experimental studies of its solubility, which could be compared with the simulation results. This is why this polyphenol was selected as the solute for this work. The purpose of this study was to explore the applicability of molecular dynamics simulations in predicting the solubility of benzoic acid in water at different temperatures by analyzing interatomic distances, as well as some of its equilibrium properties.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2. MATERIALS AND METHODS

Se desarrollaron simulaciones computacionales de dinámica molecular con el propósito de estudiar las propiedades de equilibrio del ácido benzoico en presencia de agua a distintas temperaturas. Se ha mostrado que el ácido benzoico se presenta como monómero en disolución acuosa [4], por lo que el sistema simulado consistió en una caja de 1.100 moléculas de agua y una molécula de ácido benzoico, con un volumen inicial calculado de acuerdo a la densidad del agua a las condiciones de presión y temperatura de cada simulación.

Computational simulations of molecular dynamics were developed with the purpose of studying the equilibrium properties of benzoic acid in water at different temperatures. It has been shown that benzoic acid is present as monomer in aqueous solution [4], hence the simulated system consisted in a 1,000 water molecules and one benzoic acid box, with a first volume calculated according to the water density, pressure conditions, and temperature of each simulation.

Para determinar el modelo molecular de ácido benzoico, se efectuó una optimización geométrica y cálculo de cargas atómicas mediante minimización cuántica HF 6-31G* con el software Spartan08 [6]. Dicho modelo se utilizó para determinar los parámetros estructurales, de carga y de topología para el ácido benzoico, los cuales fueron generados mediante el servidor SwissParam –que provee archivos de topología y parámetros de estructura y carga para moléculas orgánicas pequeñas, compatibles con el force field CHARMM all atoms–, y fueron utilizados posteriormente como archivos de input en la simulación. Por otro lado, para el agua se utilizaron los parámetros de

To determine the molecular model of benzoic acid, a geometrical optimization and an atomic charge calculation through quantum minimization HF 6-31G* with the Spartan08 [6] software were carried out. This model was used to determine the structural, charge and topology parameters for the benzoic acid, which were generated through the SwissParam server. The latter provides files of topology, and structural and charge parameters to small organic molecules, compatible with the force field CHARMM all atoms, and were used as input files later in the simulation. In addition, structural, charge and topology parameters for water were used according to


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Figura 3. Diagrama del proceso de simulación. Figure 3. Diagram of the simulation process.

estructura, carga y topología de acuerdo al modelo TIP3P [7] utilizando el force field CHARMM22 all atoms. La caja de agua fue generada utilizando el software VMD v1.9.2 [5].

the TIP3P [7] model using the force field CHARMM22 all atoms. The water box was generated using the VMD v1.9.2 software [5].

La caja de átomos descrita, una vez modelada fue sometida a un protocolo de simulación de dinámica molecular utilizando un tiempo de 2 fs por paso (timestep); esto quiere decir que las ecuaciones de movimiento se calculaban cada 2 fs. El software utilizado para este procedimiento fue NAMD v2.9 [8]. El protocolo consistió en 8 fases de simulación. Cada fase contemplaba una minimización inicial de la energía del sistema por 10.000 pasos (20.000 fs) –para garantizar que los átomos tomaran posiciones energéticamente factibles–, y una posterior simulación de dinámica molecular manteniendo la presión y temperatura constantes (ensamble NPT) por 190.000 pasos (380.000 fs), tiempo suficiente para garantizar la estabilidad energética y estructural del sistema de acuerdo a pruebas preliminares.

The aforementioned box of atoms, once it was modeled, was subjected to a protocol of molecular dynamics simulation using a time of 2 fs per step (timestep), which means that the movement equations were calculated every 2 fs. The software used in this procedure was the NAMD v2.9 [8]. The protocol consisted in 8 simulation phases. Each phase considered an initial minimization of the system’s energy by 10,000 steps (20,000 fs), to ensure that the atoms would take the energetically feasible positions, and a later molecular dynamics simulation maintaining constant pressure and temperature (NPT ensemble) by 190,000 steps (380,000 fs), enough time to ensure the energetic and structural stability of the system according to preliminary tests.

En cada fase se utilizaron 8 temperaturas correspondientes a 283 K, 310 K, 295 K, 318 K, 300 K, 335 K, 306 K y 338 K. Estos valores de temperatura se corresponden con los que utilizaron Apelblat et al. [9] en mediciones experimentales de la solubilidad del mismo sistema. Para mantener la temperatura se implementó el método de control de Langevin [10] utilizando un coeficiente de amortiguación (damping) de 10.000 fs. Por otro lado, en todas las simulaciones se utilizó una presión de 1 atm, que fue controlada utilizando el método pistón de Langevin [11] con un período de oscilación de 100 fs y un decaimiento de 5 fs acoplado a la temperatura de cada fase. Se utilizó la aproximación de condiciones de borde periódicas (PBC), la cual consiste en replicar la caja simulada una serie de veces en imágenes especulares a su alrededor, aumentando el volumen total. La celda para la aproximación PBC se generó con un tamaño equivalente al de la caja de agua, con un margen adicional de 2 Å a cada lado, permitiendo así fluctuaciones de volumen. Sin embargo, al aumentar el número de partículas simuladas, aumenta a su vez el número de cálculos que el programa

Eight temperatures, corresponding to 283 K, 310 K, 295 K, 318 K, 300 K, 335 K, 306 K and 338 K, were used in each phase. These temperature values correspond to the ones used by Apelblat et al. [9] in experimental measurements of solubility in the same system. In order to maintain the temperature the Langevin [10] method was used using an attenuation coefficient (damping) of 10,000 fs. On the other hand, a 1 atm pressure was used in all simulations, which was controlled using the Langevin piston method [11] with a 100 fs oscillation period and a decline of 5 fs united to the temperature of each phase. The Periodical Boundary Conditions (PBC) approach was used, which consists in copying the simulated box a number of times in mirror images in its surrounding, increasing the total volume. The cell for PBC approximation was generated with an equivalent size to the water box, with an additional margin of 2 Å each side, allowing volume fluctuations. However, when the number of simulated particles increases, the number of calculations that the program must make increases as well, hence, the simulation time also increases. To reduce this time, a cutoff radius of 9 Å was used as approximation.


Investigaciones de los alumnos / 101

debe realizar, y por lo tanto aumenta el tiempo de simulación. Para disminuir este tiempo se utilizó como aproximación un radio de cutoff de 9 Å. Al final de cada fase, la estructura resultante del ácido benzoico producto de las interacciones intermoleculares y las temperaturas de simulación se incluía en una nueva caja de 1.100 moléculas de agua para entrar en la siguiente fase. Luego de las simulaciones, se analizaron los archivos de output obtenidos. Para completar el análisis del fenómeno de solvatación usualmente se utiliza la Función de Distribución Radial (RDF). Esta función se elabora identificando un átomo central y un átomo objetivo. Luego, se calcula la densidad de átomos objetivo en torno a un cascarón de espesor fijo, cuyo centro es el átomo central (ver Figura 4). La densidad de átomos se representa como g(r) y se calcula considerando el número de átomos encontrados dentro del cascarón a cada distancia (n(r)), el número de partículas por unidad de volumen en el sistema (ρ), el radio del cascarón y su espesor (r y Δr respectivamente). En la Ecuación 1 se presenta el cálculo de g(r).

g(r) =

n(r) r 4 ρr2 Δr

At the end of each phase, the resultant structure of benzoic acid affected by the intermolecular interactions and the temperatures was included in a new 1,100 water molecules box to go into the next phase. After the simulations, the output files obtained were analyzed. To complete the solvation phenomenon analysis, the Radial Distribution Function (RDF) is usually used. This function is elaborated by identifying a central atom and an objective atom. Then, the objective atom density is calculated on a fixed density shell whose center is the central atom (see Figure 4). The atoms density is represented as g(r) and it is calculated considering the number of atoms found inside the shell at each distance (n(r)), the number of particles per volume unity in the system (ρ), the shell radius and its thickness (r y Δr respectively). In Equation 1, the calculation of g(r) is presented.

g(r) =

n(r) r 4 ρr2 Δr

(1)

(1)

Figura 4. Esquema del procedimiento usado para elaborar una RDF. En la figura superior se representa en 2 dimensiones el átomo central (centro ennegrecido), el cascarón de radio variable nferior se representa una curva con la forma que usualmente resulta de calcular g(r) para distintos valores de r. Para disoluciones acuosas la distancia del primer pico observado equivale a la distancia a la que se forma un puente de hidrógeno. Figure 4. Diagram of the procedure used to elaborate a RDF. In the upper figure, the central atom (darkened atom), the variable radius shell r and the objective atoms (white center) that are counted are represented in 2 dimensions. In the present case n(r) = 2 is counted (see Equation 1. In the lower figure, a curve with the shape that usually results from calculating g(r) for different r values is represented. For aqueous dissolutions the distance of the first observed peak is equal to the distance in which a hydrogen bond is formed.


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3. RESULADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Como resultado de las simulaciones se obtuvieron archivos que contenían la trayectoria completa del sistema en cada fase –esto es, las posiciones de cada átomo en cada paso de simulación (cada 2 fs)–. Como el protocolo consistió en 8 fases, se obtuvieron 8 archivos de trayectoria, los cuales fueron sometidos a un análisis posterior.

The results of the simulations were files that contained the complete trajectory of the system in each phase, this is to say, the positions of each atom in each simulation step (every 2fs). As the protocol consisted of 8 phases, 8 trajectory files were obtained, which were subjected to a later analysis.

A partir de la trayectoria del sistema se pueden calcular una serie de variables de gran relevancia para explicar el fenómeno de solvatación y que, por tanto, deberían tener alguna relación con la solubilidad de la molécula en cuestión en medio acuoso. En este caso particular, se calculó la energía potencial del sistema que depende exclusivamente de las posiciones de las partículas del sistema, presentes en los archivos de trayectoria de output, y de sus masas, presentes en los archivos de parámetros. Esta energía a su vez se subdividió en energía potencial debida a interacciones de Van der Waals y energía potencial debida a interacciones coulómbicas. La cantidad promedio de puentes de hidrógeno formados entre la molécula de ácido benzoico y el agua fue, determinada según la distancia y el ángulo que existe entre los sitios activos del ácido benzoico y las moléculas de agua más cercanas. Esta cantidad cantidad se relaciona con la función de distribución radial (RDF) en torno a los sitios activos del soluto y depende de la energía cinética del sistema y de su temperatura.

From the system›s trajectory a number of variables of great relevance can be calculated in order to explain the solvation phenomenon. These variables should have some relation with molecule solubility in an aqueous medium. In this particular case, the calculation was focused on the potential energy of the system, which depends exclusively on the position of the system›s particles, present in the output trajectory files, and on their mass, present in the parameter files. This energy was subdivided as well into potential energy due to Van der Waals interactions, and potential energy due to Cuolomb interactions. The average quantity of hydrogen bonds formed among the benzoic acid molecule and water was determined by the distance and the angle that exist between the active sites of benzoic acid and the nearer water molecules. This quantity is related to the radial distribution function (RDF) on the active sites of the solute, and it depends on the system›s kinetic energy and its temperature.

Figura 5. Función de distribución radial (RDF) obtenida a distintas temperaturas. El cálculo de la función de distribución radial se efectuó centrado en el grupo hidroxilo del ácido benzoico (gráfico superior) en primer lugar, y en segundo lugar se centró en su grupo carbonilo (gráfico inferior). La distribución radial se efectuó con respecto al átomo de oxígeno de cada molécula de agua, el cual la representa bien debido a que sus átomos de hidrógeno tienen una mayor movilidad.

Figure 5. Radial distribution function (RDF) obtained at different temperatures. The radial distribution function calculation was made centered on the hydroxyl of the benzoic acid (upper graph) in the first place, and centered on its carbonyl (lower graph) in the second place. The radial distribution was made on the oxygen atom of each molecule of water, which is correctly represented because its hydrogen atoms have a greater mobility.


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Para analizar los archivos de output del protocolo y buscar su relación con la solubilidad medida experimentalmente, se requirió un tiempo de simulación lo suficientemente largo como para que el sistema alcanzara el equilibrio. Por esto, se utilizaron para el análisis los últimos 3.000 pasos (6.000 fs) de simulación en cada fase, cuya estabilidad energética y estructural fue garantizada por el análisis de energías y RMSD, cuyos valores llegaban a un equilibrio alrededor de los primeros 20.000 pasos. Dentro de las variables de output estudiadas a distintas temperaturas, la que tuvo una tendencia más regular fue la cantidad promedio de puentes de hidrógeno formados, que aumentó al crecer la solubilidad. Las energías potenciales coulómbica, de Van der Waals y total no mostraron una tendencia regular a distintas temperaturas. Por otro lado, las curvas de RDF obtenidas tienen un comportamiento acorde a la teoría: la altura del pico formado en el caso del grupo hidroxilo es mayor a la altura del pico para el grupo carbonilo, lo que se explica porque el primero es más activo en la formación de puentes de hidrógeno y una mayor altura de pico implica una mayor interacción con moléculas de agua. La perfecta superposición de las curvas de RDF a distintas temperaturas también es esperable debido a que la distancia de mayor interacción –equivalente a la distancia a la que se forma un puente de hidrógeno– no debe variar a distintas temperaturas. Sin embargo, en la curva para el grupo hidroxilo se observó una distancia de primer pico cercana a 2 Å, la cual es menor a la distancia teórica correspondiente a 2,7 Å [12]. Para ahondar el análisis de las variables estudiadas, su comportamiento a distintas temperaturas se comparó directamente con los valores de solubilidad medidos experimentalmente por Apelblat et al. [9]. Los análisis gráficos presentados en las Figuras 6 y 7 muestran una relación entre el número de puentes de

To analyze the output files of the protocol and search its relation with the experimentally measured solubility, one requeriment was a simulation time long enough as to let the system reach equilibrium. Therefore, the last 3,000 simulation steps (6,000 fs) of each phase were used, whose energetic and structural stability were ensured by the energy analysis and RMSD, whose values reached equilibrium close to the first 20,000 steps. Among the output variables studied at different temperatures, the one that had a more regular tendency was the average quantity of hydrogen bonds formed, which increased when the solubility was higher. The Cuolomb potential, Van der Waals and total energies did not show a regular tendency at different temperatures. In addition, the RDF curves obtained behave accordingly to the theory: the height of the peak formed in the hydroxyl case is higher than the carbonyl peak because the first one is more active in the formation of hydrogen bonds, and a higher peak implies a higher interaction with water molecules. The perfect superposition of the RDF curves at different temperatures is also expected, because the greatest interaction distance -equivalent to the distance formed in an hydrogen bondshould not vary at different temperatures. Nevertheless, in the hydroxyl curve a distance close to 2 Å was observed in the first peak, which is less than the theoretical distance that corresponds to 2.7 Å [12]. To go deeper into the analysis of the studied variables, their behavior at different temperatures was directly compared with the solubility values experimentally measured by Apelblat et al. [9]. The graphic analysis presented in Figures 6 and 7 show a relation between the number of hydrogen bonds formed in the simulation and the experimentally measured solubility. This reveals a possible explanation to the solvation phenomenon of benzoic acid in aqueous medium at

Figura 6.- Número promedio de puentes de hidrógeno formados entre soluto y solvente, contabilizados a lo largo de la simulación a cada temperatura. Figure 6. Average number of hydrogen bonds between the solute and solvent, counted through the simulation at each temperature.


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Figura 7. Número promedio de puentes de hidrógeno formados entre soluto y solvente, graficado en función de la solubilidad medida experimentalmente a cada temperatura. Figure 7. Average number of hydrogen bonds formed between solute and solvent, represented in terms of the experimentally measured solubility at each temperature.

hidrógeno formados en la simulación y la solubilidad medida experimentalmente. Esto indica una posible explicación del fenómeno de solvatación del ácido benzoico en medio acuoso a distintas temperaturas: inicialmente el fenómeno es guiado por la formación de una baja cantidad de puentes de hidrógeno, la cual es, en promedio, menor a uno durante todo el tiempo de simulación; a medida que la temperatura asciende hasta los 320 K, la solubilidad del compuesto en medio acuoso aumenta asociada a un crecimiento en la cantidad de puentes de hidrógeno; y, a partir de dicha temperatura, la cantidad de puentes de hidrógeno formados se mantiene constante mientras aumenta la solubilidad. Este comportamiento sugiere que: (1) bajo los 320 K la solvatación del ácido benzoico es fuertemente dependiente de la cantidad de puentes de hidrógeno formados, que aumenta con el crecimiento de la temperatura; (2) sobre los 320 K se alcanza una cantidad máxima de puentes de hidrógeno, por lo que la solvatación empieza a ser guiada por otras interacciones (como fuerzas de Van der Waals o coulómbicas). Adicionalmente, al graficar las energías potenciales total, coulómbica y de Van der Waals a distintas temperaturas y compararlas con la solubilidad medida experimentalmente, se observó un cambio en la tendencia de los datos a los 320 K.

different temperatures: initially, the phenomenon is guided by the formation of a small quantity of hydrogen bonds, which is, on the average, less than one during the whole simulation time; as temperature rises until 320 K, the compound›s solubility in aqueous medium increases due to an increase in the quantity of hydrogen bonds; and, from that temperature, the quantity of formed hydrogen bonds remains constant as the solubility increases. This behavior suggests that: (1) under 320 k the solvation of benzoic acid is strongly dependent on the number of formed hydrogen bonds, which increases as the temperature rises; (2) over 320 K a maximum number of hydrogen bonds is reached, so solvation begins to be guided by other interactions (such as Van der Waals and Coulomb forces). Additionally, when the total, Van der Waals and Coulomb potential energies at different temperatures were represented in a graph and then compared to the experimentally measured solubility, a change in the trend of data at 320 K was observed.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

En los archivos de output de simulación se analizaron distintas propiedades fisicoquímicas del sistema que teóricamente se relacionan con el fenómeno de solvatación. Al comparar estas propiedades con datos de solubilidad medidos experimentalmente, se observó que su comportamiento a distintas temperaturas permite entregar una posible explicación del fenómeno de solvatación del ácido benzoico. Además, se encontró una relación entre la cantidad de puentes de hidrógeno formados entre soluto y solvente en las simulaciones, y la solubilidad medida experimentalmente a distintas temperaturas. Para

In the simulation output files different physiochemical properties of the system were analyzed, which are theoretically related to the solvation phenomenon. When these properties were compared with experimentally measured solubility data, it was observed that their behavior at different temperatures provides a possible explanation to the solvation phenomenon in benzoic acid. In addition, a relation between the quantities of hydrogen bonds formed between solute and solvent in the simulations, and the experimentally measured solubility at different temperatures was found. In order to validate this


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validar esta hipótesis, así como la metodología propuesta y los resultados obtenidos con ella, se considerará en el desarrollo futuro de este proyecto el análisis de otros tipos de polifenoles similares al ácido benzoico y se corroborará si el comportamiento es parecido. Los programas utilizados para la generación de archivos de input, el desarrollo de las simulaciones y el análisis de archivos de output mostraron ser precisos, debido a que el sistema simulado mostró propiedades esperables en su gran mayoría: las curvas de RDF tuvieron la forma esperada, con la excepción del primer peak observado en el caso del grupo hidroxilo; no hubo grandes fluctuaciones en la estructura del ácido benzoico, lo que se corroboró con el análisis de RMSD; la cantidad de puentes de hidrógeno formados en las simulaciones mostró una relación con la solubilidad medida experimentalmente a distintas temperaturas. Por lo tanto, dichos programas se mantendrán como parte de la metodología en el futuro de este proyecto.

hypothesis and the proposed methodology, other kind of polyphenols similar to benzoic acid will be analyzed. The programs used to generate input files, the simulation development and the output file analysis were accurate because the simulated system showed mainly expected properties: the RDF curves had the expected shape, except the first peak observed in the hydroxyl; there were no significant fluctuations in the benzoic acid structure, which was corroborated with the RMSD analysis; the number of hydrogen bonds formed in the simulations exhibited a relation to the experimentally measured solubility at different temperatures. Therefore, those programs will be kept as part of the methodology in the future.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

Los autores agradecen al Proyecto Anillo ACT 1105/2012 de CONICYT por el financiamiento de esta investigación y al National Institutes of Health por el uso del software NAMD v2.9.

The authors express their gratitude to Project Anillo ACT 1105/2012 of CONICYT for financial support and to the National Institutes of Health for the use of the NAMD v2.9 software.

GLOSARIO

Glossary

Anillo Aromático: Estructura química también denominada benceno. Consiste en un anillo formado por seis átomos de carbono con enlaces dobles conjugados, en forma de hexágono (ver Figura 1). Los electrones en sus enlaces dobles se encuentran deslocalizados, generando una estructura resonante que le confiere una alta estabilidad. Hidrofílico: Molécula que, debido a su estructura química, tiene la tendencia a interactuar o disolverse en agua. Solvatación: Proceso de asociación de las moléculas de un disolvente con las moléculas o iones de un soluto. Radio de cutoff: Distancia radial máxima a la cual se restringe el cálculo de las interacciones de cada átomo con sus moléculas vecinas. Se utiliza como simplificación en dinámica molecular para reducir el tiempo de cálculo computacional. RMSD: Medida de la distancia promedio entre los átomos de una molécula.

Aromatic Ring: Chemical structure also known as benzene. It consists of a ring formed by six carbon atoms with double conjugated bonds, in a hexagonal shape (see Figure 1). The electrons in its bonds are delocalized, generating a resonant structure which provides great stability to the ring. Hydrophilic: Molecule that, due to its chemical structure, has a tendency to interact or dissolve in water. Solvation: Association process of the solvent molecules with the molecules or ions of a solute. Cutoff radius: Maximum radial distance to which the calculation of the interaction of each atom with its nearby molecules is restricted. It is used as a simplification in molecular dynamics in order to reduce the computational calculation time. RMSD: Measure of the average distance among the atoms of a molecule during a whole simulation.


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Principio científico

Scientific Principle

La dinámica molecular consiste en la representación de un sistema de moléculas a través del tiempo, modelando la energía potencial resultante de la interacción entre sus átomos a través de campos de fuerzas denominados force fields. Los force fields son una serie de funciones parametrizadas a partir de mediciones experimentales y basadas en modelos teóricos de interacción entre partículas. En una simulación de dinámica molecular cada átomo tiene asociada una posición, velocidad, carga, número atómico y una lista de los enlaces en los que participa. Utilizando dicha información, el force field modela las fuerzas ejercidas sobre cada partícula, determinando de esa manera su aceleración para calcular nuevas posiciones y velocidades. La manera en que se modela comúnmente esta perturbación es a través de las leyes de mecánica clásica de Newton; de esta manera, un movimiento de una partícula i estará dado por la Ecuación 2, y al integrarla se obtiene la posición de la partícula en el tiempo.

Molecular dynamics simulations consist in the representation of a molecular system in time, modeling the potential energy produced by the interaction among its atoms through force fields. Force fields are a number of functions that are parameterized from experimental measurements or based on particles interaction theoretical models. In a molecular dynamics simulation each atom is associated to a position, charge, atomic number and a list of the bonds in which it participates. Using that information, the force field models the force applied on each particle, thus determining its acceleration to calculate new positions and velocities. The way in which this motion is commonly modeled is through Newton’s classical mechanics law; in this way, the movement of a particle i will be given by the Equation 2, which provides the position of the particle through time when it is integrated.

(2)

El avance del tiempo de simulación se modela discretizándolo en intervalos cortos, denominados timesteps. En cada timestep las ecuaciones que dirigen el movimiento de cada una de las partículas se calculan de manera iterativa. Para analizar la solubilidad del sistema en estudio es fundamental tener conocimiento del fenómeno de solvatación para el ácido benzoico. Un importante componente en este fenómeno es el puente de hidrógeno, formado a una distancia y ángulo característicos (ver Figura 1). El enlace se forma principalmente entre grupos específicos de alta electronegatividad en el soluto –que se denominan sitios activos– y las moléculas de agua circundantes. Los sitios activos del ácido benzoico son su grupo hidroxilo y carbonilo. En ambos casos la distancia calculada de un puente de hidrógeno es aproximadamente de 2,7 Å [12]. Esta se mide entre los átomos de oxígeno de cada sitio activo y de la molécula de agua que forma el enlace. El ángulo medido entre el oxígeno e hidrógeno del sitio activo y el oxígeno de la molécula de agua es aproximadamente 170° [12] en ambos casos. Así, para calcular la cantidad de puentes de hidrógeno formados en una simulación, se contabilizan las moléculas de agua que se ubican a una distancia y ángulo de dichas características con respecto a los grupos activos del ácido benzoico.

(2)

The simulation time progress is modeled by discretizing it in short intervals denominated timesteps. In each timestep, the equations that direct the movement of each one of the particles are calculated in an iterative manner. In order to analyze the solubility of the studied system, knowledge about the solvation phenomenon for benzoic acid is fundamental. An important component of this phenomenon is the hydrogen bond, which formed a distinctive distance and angle (see Figure 1). The bond is mainly formed among specific groups of high electronegativity in the solute -which are denominated active sites- and the surrounding water molecules. The active sites of benzoic acid are its hydroxyl and carbonyl groups. In both cases, the calculated distance of a hydrogen bonds is 2.7 Å [12] approximately. This is measured between the oxygen atoms of each active site and the water molecule that forms the bond. The angle measured between the oxygen and hydrogen of the active site and the oxygen of the water molecule is approximately 170° [12] in both cases. Thus, to calculate the number of hydrogen bonds formed in one simulation, the water molecules that are located at a distance and angle of aforementioned characteristics regarding the active groups of benzoic acid are counted.


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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Raimundo Gillet

Angélica Fierro

José Ricardo Loreto Pérez Valenzuela


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Primeros pasos en la compilación de procesadores modulares de audio en tiempo real en Antescofo First steps toward embedding real-time audio computing in Antescofo

Nicolás Schmidt1*, Alumno de 6to año Arshia Cont2, Investigador Guía Jean-Louis Giavitto3, Investigador Guía

Nicolás Schmidt1*, 6th year student Arshia Cont2, Head of Research Jean-Louis Giavitto3, Head of Research

1 Departamento de Ciencia de la Computación, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 MuTanT Team-project, INRIA, Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique 3 MuTanT Team-project, INRIA, CNRS, Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique *Autor de correspondencia: nschmid1@uc.cl

1 Department of Computer Science, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 MuTanT Team-project, INRIA, Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique 3 MuTanT Team-project, INRIA, CNRS, Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique * Corresponding author: nschmid1@uc.cl


Investigaciones de los alumnos / 109

RESUMEN

ABSTRACT

El problema de la preservación en el tiempo de piezas de música interactiva ha estado siempre presente en este género de la música contemporánea. Debido al tamaño, versatilidad y grandes recursos computacionales del mini computador UDOO, el equipo MUTANT del centro de investigación INRIA decidió compilar una versión del software Antescofo para este hardware con el fin de poder almacenar y preservar estas piezas en el tiempo. Sin embargo, debido principalmente a la arquitectura de procesamiento de señales digitales del software, se pudo observar un desempeño no óptimo de la aplicación para interpretación en tiempo real de piezas interactivas. En este artículo se presenta una versión de Antescofo que cambia el paradigma de procesamiento de los efectos y sonidos, desde una arquitectura de sistema de paso de mensajes entre Antescofo a patches externos, hacia una arquitectura que integra la librería Faust de procesamiento de señales. La finalidad de este cambio es compilar una versión para la plataforma UDOO que permita ejecutar las piezas sin problemas de rendimiento. Esta investigación se basa en la realización de tests de performance para ambas versiones buscando esclarecer si la nueva arquitectura planteada por MUTANT posee efectivamente un mejor desempeño en aplicaciones en tiempo real que la versión anterior. La metodología utilizada consiste en la comparación de dos versiones adaptadas de la obra “Anthèmes 2” de Pierre Boulez y la comparación de los tiempos de ejecución del proceso encargado del procesamiento de señales digitales. Con la nueva arquitectura se obtuvo una mejora de un 46%. Los resultados expuestos permiten concluir que las características técnicas del mini computador UDOO hacen posible crear una versión de Antescofo para esta plataforma. Así, esta nueva plataforma permitirá a la comunidad de músicos contemporáneos preservar sus piezas musicales en el tiempo.

The problem of preservation through time of interactive music pieces has always been present in this field of contemporary music. Because of the size, versatility and computational power of the UDOO minicomputer, INRIA’s MUTANT team has decided to compile a version of the Antescofo software in order to conserve these musical pieces. However, because of the digital signal processing architecture of the software, a nonoptimal performance for the interpretation of real time pieces was observed. In this article, we present a new version of Antescofo that changes the signal processing paradigm from an architecture of a message passing system between Antescofo and external patches, to an architecture that integrates the Faust digital signal processing library. This research is based on the perform of profiling tests for both versions, with the aim of seeing if the new architecture is actually better in terms of performance for real time applications than the older version. The methodology used was to compare both versions performing the interactive music piece “Anthèmes 2” from Pierre Boulez and the comparison of the execution times of the digital signal processing process. The new architecture showed an improvement of 46%. The results exposed suggest that the technical resources of the UDOO platform are enough to run a version of Antescofo, allowing this way to preserve interactive musical pieces through time.

Palabras clave: Antescofo, UDOO, faust, preservación de música interactiva, música interactiva.

Keywords: Antescofo, UDOO, faust, interactive music preservation, interactive music.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Existe un campo en música contemporánea llamado música interactiva. La música interactiva corresponde a la composición de una pieza escrita con partes para uno o varios intérpretes humanos y para componentes electrónicos. En estas piezas, los componentes electrónicos responden a la ejecución del músico, generándose un feedback mutuo en el que ambas partes interpretan la melodía.

A field called interactive music exists within the realm of contemporary music. Interactive music corresponds to the composition of a piece written with parts for one or various human performers and for electronic components. In these pieces, the electronic components respond to the performer’s execution, generating a mutual feedback in which both parts interpret the melody.

Dentro de las principales plataformas para la composición de música interactiva se destacan PureData y Max MSP. Ambas herramientas son softwares de programación gráfica basado en el ensamble de módulos o patches,

Among the main platforms for the composition of interactive music, PureData and Max MSP stand out. Both tools are graphic programming software based on the ensemble of modules or patches, which consist of


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que consisten en sub-programas que poseen funciones específicas. Las principales funcionalidades de estas plataformas están orientadas al procesamiento de sonido e imágenes en tiempo real; sin embargo, hasta el año 2007 no existía un patch especializado en resolver el problema de la sincronización entre humano y máquina en la ejecución de música interactiva. Antescofo es un software creado por Arshia Cont y el compositor Marco Stroppa en el 2007. Su desarrollo ha sido continuado por el equipo MUTANT del centro de investigación INRIA, compuesto por personas del IRCAM, INRIA y del CNRS desde el 2012. El objetivo principal del software es lograr la sincronización entre los componentes electrónicos y el músico en la ejecución de la pieza. El software permite al compositor escribir tanto la partitura del músico como las acciones que deben ser gatilladas por la máquina frente a los eventos musicales. Antescofo está compuesto por un sistema de machine listening y un sistema de ingeniería reactiva [1]. El primero es responsable del procesamiento del audio y reconocimiento de diversos eventos y parámetros musicales en tiempo real. El Sistema de ingeniería reactiva es responsable de gatillar las acciones especificadas en la partitura, como respuesta a ciertos eventos producidos por el músico, tal como se muestra en la Figura 1. Antescofo ha sido compilado para el sistema operativo Mac OS X, tanto en la plataforma PureData como en Max MSP, mientras que en Linux solamente existe una versión para PureData. Actualmente el equipo MUTANT se encuentra trabajando en la compilación de una versión para PureData de Windows, lo cual permitirá que más músicos contemporáneos puedan acceder y utilizar esta herramienta para sus composiciones.

sub-programs that have specific functions. The main functionality of these platforms is focused on the processing of images and sounds in real time; nevertheless, until 2007, there was no patch specialized in solving the problem of synchronization between human and machine in the execution of interactive music. Antescofo is a software created by Arshia Cont and the composer Marco Stroppa in 2007. Its development has been continued by the MUTANT team at the INRIA research center, by staff members of IRCAM, INRIA and CNRS since 2012. The main objective of the software is to achieve synchronization between the electronic components and the musician when executing the piece. The software allows the composer to write both, the musician’s score as well as the actions that must be triggered by the machine before the musical events. Antescofo consists of a listening machine system and a reactive engineering system [1]. The first is responsible for processing audio and recognizing different events and musical parameters in real time. The reactive engineering system is responsible for triggering the actions specified in the score, such as the response to certain events produced by the musician, as shown in Figure 1. Antescofo has been compiled for Mac OS X operating system for both; PureData and Max MSP platforms, while in Linux it only exists for PureData platform. Currently, the MUTANT team is working on the compilation of a new version of Antescofo for PureData for Windows, which will allow more contemporary musicians to access and use these tools for their works.

Figura 1. Proceso de funcionamiento de Antescofo en la recepción y generación de sonidos. Figure 1. Antescofo’s working process in the reception and generation of sound.


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Independientemente de la cantidad de plataformas que permiten desarrollar este tipo de composiciones, la música interactiva está enfrentando un problema mayor: la preservación en el tiempo de las piezas musicales compuestas hoy. Como se ha visto en las últimas décadas, la tecnología, plataformas y protocolos de comunicación entre aplicaciones están cambiando continuamente. Esto, en un contexto artístico implica que las piezas musicales están susceptibles a quedar obsoletas al desaparecer la tecnología con la cual fueron desarrolladas, por lo que existe el riesgo de que el arte se pierda en el tiempo. Frente a este desafío, se comienza un trabajo de compilación de una versión de Antescofo para PureData corriendo en un mini computador. Utilizar este tipo de hardware permitiría tener físicamente un mecanismo de almacenamiento y reproducción de piezas de música interactiva. Así, independiente de los cambios tecnológicos que puedan surgir en el futuro, se preserva la música y se evita la obsolescencia de la obra. Sin embargo, debido a las limitantes de hardware de los mini computadores en términos de recursos computacionales (poder de procesamiento, memoria y arquitectura), la versión de Antescofo compilada para esta plataforma no es capaz de procesar toda la información necesaria y tener una buena performance para una interpretación de una pieza de música interactiva en tiempo real. Este trabajo busca realizar modificaciones en la arquitectura del software Antescofo con el objetivo de optimizar la cadena de generación de sonidos y procesamiento de efectos, procesos que son los principales causantes del mal desempeño en tiempo real. Los cambios en la arquitectura corresponden a relegar funciones de procesamiento de señales digitales a librerías especializadas compiladas en el mismo software. Luego de la implementación de esta arquitectura, se realizó un análisis comparativo entre ambas versiones de Antescofo con el fin de evaluar si la implementación de herramientas modulares para el procesamiento de señales digitales era efectivamente mejor en términos de rendimiento y de performance en tiempo real. En este artículo se explica el procedimiento utilizado para acercarse a una nueva versión de Antescofo, la cual tiene por objetivo poder ser compilada y ejecutada en el mini computador UDOO de forma eficiente, y permitiendo además brindar nuevas funcionalidades al compositor. En un principio se detalla la arquitectura actual del procesamiento de señales digitales junto con los principales problemas asociados a ella. Luego, se presenta la nueva arquitectura propuesta, basada en la utilización de herramientas modulares de procesamiento de efectos y sonidos. A continuación, se detalla la comparación en pruebas de performance entre ambas versiones implementadas mediante la ejecución de la misma pieza musical, adaptada para ambas versiones. Finalmente, se explican los resultados y sus implicancias en la compilación y adaptación de una versión del software para UDOO, con el fin de preservar las obras de música interactiva a través del tiempo.

Independent from the amount of platforms that allow this kind of compositions to be developed, interactive music faces a bigger challenge: the preservation of musical pieces composed today throughout time. As it has been observed in the past few decades, technology, platforms and communication technology among applications are constantly changing. This, within an artistic context, implies that musical pieces are susceptible to become obsolete as the technology in which they were developed disappears, so there is a risk that art will be lost in time. In light of this challenge, the task of compiling a version of Antescofo for PureData running on a mini computer begins. Using this type of hardware would make possible to have a physical mechanism of storage and reproduction of interactive musical pieces. Thus, despite the technological changes that may occur in the future, the music is preserved and the risk of it becoming obsolete is avoided. Nevertheless, due to the minicomputer hardware’s limitations in terms of computational power (processing power, memory and architecture), the version of Antescofo compiled for this platform is not capable of processing all the necessary information, although has a good performance when interpreting a piece of interactive music in real time. This work seeks to make modifications to the Antescofo’s software architecture with the goal of optimizing the sound generation and effect processing chain, processes that are the main causes of poor performance in real time. The changes in architecture consist of relegating digital signal processing functions to specialized libraries compiled in the same software. After implementing this architecture, a comparative analysis between both Antescofo versions was performed to determine if the implementation of modular tools for the processing of digital signal was effectively better in terms of efficiency and performance in real time. This article explains the procedure used to approach a new version of Antescofo, whose objective is to be compiled and executed in the UDOO minicomputer in an efficient manner and also to bring new functionalities to the composer. In the beginning, the actual architecture of the digital signal processing, along with the problems associated with it, is described. Then, the new proposed architecture, based on the utilization of modular sound and effects processing tools, is presented. Next, the comparison in performance tests between both versions implemented through the execution of the same musical piece adapted for both versions is depicted. Finally, the results and their implications in the compilation and adaptation of a software version for UDOO, with the goal of preserving works of interactive music throughout time, are explained.


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2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

La actual cadena de generación de sonidos y procesamiento de efectos de Antescofo comienza con la carga de la partitura, luego el sistema de machine listening escucha al músico, esperando la aparición de las acciones especificadas en la partitura. Frente a la aparición de un evento que corresponde al componente electrónico, se envía un mensaje a la plataforma (PureData o Max MSP), y a partir de los parámetros del mensaje, se genera o procesa el sonido en patches externos a Antescofo. Esto puede verse claramente en la Figura 2.

Antescofo’s current sound generation and effect processing chain begins with the loading of the score; then, the machine listening system listens to the musician, waiting for the actions specified in the score to appear. When a new event that corresponds to the electronic component appears, a message is sent to the platform (Pure Data o Max MSP), and depending on the message parameters, a sound is processed or generated in external patches to Antescofo. This can be clearly observed in Figure 2.

El actual paradigma de procesamiento de sonidos tiene los siguientes problemas: • Desempeño no óptimo: Como la generación de sonidos y procesamiento de efectos depende de la plataforma en la que está corriendo Antescofo (PureData o Max MSP), la eficiencia del software depende mucho de cómo la plataforma maneja los recursos computacionales. Max MSP y PureData no manejan los recursos de forma óptima para el procesamiento de sonidos en tiempo real, y la arquitectura actual impide tener un flujo de información y optimización de la ejecución del software. El sistema de paso de mensajes no permite una optimización preventiva del desempeño del software, ya que sólo se sabe qué es lo que se va a procesar una vez que se gatilla el mensaje desde Antescofo [2]. • Dependencias de la plataforma: Como el procesamiento de sonidos y efectos es procesado por la plataforma (Max MSP o PureData), se tienen muchas dependencias de la misma. Esto es un problema debido a que si la plataforma cambia de una versión a la siguiente, la pieza musical compuesta para Antescofo podría dejar de

The current sound processing paradigm has the following problems: • Non-optimal performance: Since sound generation and effect processing depend on the platform on which Antescofo is executed (PureData or Max MSP), the efficiency of the software depends considerably on how the platform manages the computational power. Max MSP and PureData do not manage computational power in a form that is optimal for the processing of sound in real time, and the current architecture hinders the flow of information and the optimization of the software’s execution. The message passing system does not permit a preventive software performance optimization, as what will be processed is only known once the message is triggered from Antescofo [2]. • Platform dependencies: Since sound and effect processing is processed by the platform (Max MSP or PureData), there are many dependencies from it. This is a problem because, if the platform changes from a version to the next, the musical piece composed for Antescofo could stop working and lose much of its electronic components. This has great implications in the problem of preservation of interactive musical pieces in time.

Figura 2. Metodología se sincronización de Antescofo en la gatillación de las acciones y paso de mensajes a la plataforma. Figure 2. Antescofo’s synchronization methodology in the triggering of action and message passing to the platform.


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funcionar y perder gran parte de sus componentes electrónicos. Esto tiene gran implicancia en el problema de la preservación de las piezas de música interactiva en el tiempo. Como solución a estos problemas, se plantea una nueva arquitectura del software para la generación de sonidos y procesamiento de efectos. Esta nueva forma de procesar los sonidos cambia el paradigma desde el sistema de paso de mensajes desde Antescofo hacia los otros patches de la plataforma, a una metodología en la que Antescofo pasa a ser el principal responsable de esta función, mediante la integración de herramientas modulares de procesamiento de sonidos y efectos. De esta forma se obtiene un mejor control sobre los procesos de compilación de las funciones, no se depende tanto de la plataforma en la cual está corriendo el programa, y por sobre todo, se logra una mayor eficiencia y desempeño de la aplicación. La integración de las herramientas modulares permite al compositor crear sus propios efectos dentro de la misma partitura. Además, el uso de estas herramientas hace que la partitura sea completamente auto-contenida, ya que deja de depender de la plataforma sobre la cual está corriendo. Esto significa que los efectos y forma en que los sonidos son procesados se mantendrán invariante independiente de los cambios que puedan experimentar las plataformas en un futuro. Una de las herramientas modulares integradas en Antescofo es Faust, una librería desarrollada por Grame en el centro de investigación de INRIA ubicado en Lyon, Francia. Faust es un lenguaje de programación funcional para el procesamiento de señales en tiempo real. Este lenguaje permite la programación de efectos y procesadores de señales y compilarlos como aplicaciones standalone. Faust traduce desde un lenguaje de alto nivel descriptivo de señales de audio a un programa en C++ optimizado. El hecho de que se produzcan programas en C++ permite al usuario compilar el software para correr como plugins de Max, PureData, VST plugins y aplicaciones Alsa o Coreaudio [3]. La integración de Faust en Antescofo optimiza el proceso de procesamiento de señales digitales en tiempo real debido a que los efectos son pre-compilados a través de un compilador Onthe-fly integrado en la librería. Debido a la integración de esta herramienta modular, la nueva arquitectura de la generación de sonidos queda entonces de la siguiente forma: al cargar la partitura en Antescofo se leen todos los efectos que se espera que se generen y se pre-compilan con el compilador On-thefly que posee las librería. Estos efectos pre-compilados son pasados a Antescofo, el cual mediante su sistema reactivo simplemente llama a los efectos pasándole los parámetros respectivos al momento en que son gatillados por el músico, como se muestra en la Figura 3. De esta forma se evita el proceso de paso de mensajes y de compilación de los efectos en tiempo real, ahorrando tiempo que es fundamental para la ejecución de este tipo de piezas en tiempo real.

As a solution to this problem, we propose a new software architecture for generation of sound and effect processing. This new way of processing sounds changes the paradigm from the message passing system from Antescofo to other platform patches, to a methodology in which Antescofo becomes the main system responsible for this function through the integration of modular tools of sound and effect processing. In this manner, better control of the process of the compilation of the functions is obtained, as it does not depend so much of the platform on which the program is executed, and above everything else, better application efficiency and performance is achieved. The integration of the modular tools allows the composer to create his or her own effects within the same score. In addition, the use of these tools makes the score completely self-contained, as it becomes independent of the platform on which it’s executed. This means that the effects and the form in which the sounds are processed remain unchanged, despite any modifications that the platforms may experience in the future. One of the modular tools integrated in Antescofo is Faust, a library developed by Grame at INRIA research center located in Lyon, France. Faust is a functional programming language for processing signals in real time. This language makes effects programming and signal processing possible, and to compile them as standalone applications. Faust translates audio signals from a high level descriptive language to a program optimized in C++. The fact that programs are produced in C++ allows the user to compile the software to run as plugins of Max, PureData, VST plugins, and Alsa or Coreaudio applications [3]. Faust integration in Antescofo optimizes the process of digital signal processing in real time, because the effects are pre-compiled through an on-the-fly compilator integrated to the library. Due to the integration of this modular tool, the new sound generating architecture works as follows: once the score is loaded in Antescofo, all the effects to be generated are read and pre-compiled by the library’s onthe-fly compilator. These pre-compiled effects are passed to Antescofo, which through its reactive system, simply calls all the effects by passing the respective parameters at the moment triggered by the musician, as shown in Figure 3. This way the process of message passing and the effect compilation in real time is avoided, saving time that is essential for the execution of this type of pieces in real time.


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Figura 3. Cadena de generación de sonidos para la nueva versión de Antescofo utilizando la herramienta modular Faust. Figure 3. Sounds generation chain for the new version of Antescofo using Faust modular tool.

Como la nueva versión de Antescofo creada por MUTANT integra una nueva arquitectura para la generación de sonidos y efectos, se espera que el desempeño de esta nueva versión en términos del tiempo computacional requerido para procesar la información mejore el desempeño del software. De esta forma se podría tener un mejor desempeño en sistemas de hardware con menores recursos computacionales, tal como lo es el mini computador UDOO. Con el objetivo de poder hacer una correcta comparación de desempeño entre las dos versiones del software y poder aceptar o rechazar la hipótesis de que el cambio de arquitectura en el procesamiento de sonidos es mejor en la nueva versión que en la anterior, se procedió a escribir una versión de la obra “Anthèmes 2” de Pierre Boulez para la nueva versión de Antescofo. En esta se integraron en lenguaje Faust los componentes electrónicos que antes eran patches externos a Antescofo y coordinados mediante la arquitectura de mensajes. En la Figura 4 puede apreciarse el módulo de componentes electrónicos de la versión de Anthèmes 2 para la versión original de Antescofo. En esta puede verse que los efectos no pertenecen al patch de Antescofo, sino que están en patches externos, y que se comunican mediante el paso de mensajes.

Since the new version of Antescofo created by MUTANT integrates new sound and effect generation architecture, it’s expected that the performance of this new version in terms of the computational time required to process the information improves the software’s performance. In this way, better hardware system performance with less computational power could be attained, as with the UDOO minicomputer. With the goal of making an accurate performance comparison between the two software versions, and to be able to accept or reject the hypothesis that the change in sound processing architecture is better in the newer version than the older one, a version of the Pierre Boulez’s piece “Anthèmes 2” was written for the new version of Antescofo. The electronic components that had previously been external patches to Antescofo and had been coordinated through message architecture were integrated in Faust language. The electronic components module of the Anthèmes 2 version for the original version of Antescofo can be observed in Figure 4. This figure shows that the effects do not belong to Antescofo’s patch, as they are in external patches and are communicated through message passing.

Figura 4. Patch de efectos de la pieza original “Anthèmes 2” adaptada por el IRCAM en Max MSP. Se pueden ver los componentes utilizados y la forma en la que fueron replicados. Figure 4. Patch effects of original piece “Anthèmes 2” adapted by IRCAM in Max MSP. The components used and the form in which they were replicated can be seen here.


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La implementación de los efectos en Faust utilizados en “Anthèmes 2” es la siguiente: • Armonizador: implementado a partir de una modificación del código fuente de un pitch shifter implementado por Grame en lenguaje Faust. Puede ser encontrado en el repositorio Git de Faust. • Frequency shifter: al igual que el armonizador, fue creado a partir de la modificación del código del pitch shifter de Grame. • Reverb: este efecto fue creado a partir del efecto freeverb, también creado por Grame y disponible en el repositorio Git de Faust. • Panner: Los dos panners son iguales, estos fueron implementados desde cero en lenguaje Faust y funcionan recibiendo el valor de la amplitud para cada uno de los 6 canales. Luego, utilizando elementos de discretización de parámetros de Antescofo se pudieron crear las curvas de panneo para cada uno de los canales. • Mixer: se implementó además un mezclador en lenguaje Faust para poder enviar cada señal a su canal respectivo. El sampler no pudo ser implementado con Faust debido a que esta herramienta no trabaja en el dominio espectral, solo temporal. De esta forma, para poder comparar ambas versiones de forma equitativa, se removió también el sampler de la versión original [4]. Luego de la implementación de los efectos Faust, la partitura de “Anthèmes 2” fue adaptada para responder a estas nuevas herramientas. El patch de “Anthèmes 2” original fue modificado para adaptar la nueva arquitectura que integra la herramienta modular Faust, de esta forma se obtuvieron las dos versiones para poder comparar el desempeño. Para comparar el desempeño entre ambas versiones se utilizó la herramienta Time Profiler de las herramientas de desarrollo provistas por Xcode. Time Profiler permite al usuario grabar una secuencia de uso de un software y permite ver en detalle cuanto tiempo demora en ejecutar cada una de las funciones del código fuente en tiempo real. Se decidió utilizar esta herramienta porque permite ver en detalle cuánto tiempo y recursos computacionales fueron necesarios para poder lograr todos los procesos relacionados al procesamiento de efectos y sonidos. Las diferentes llamadas a los procesos son representadas en un diagrama de árbol, y todos los detalles, incluido el porcentaje de CPU utilizado por el proceso pueden ser vistos. Para este caso particular, la función de interés es la llamada “dspchain_ tick”, la cual es la encargada de todo el procesamiento de sonidos y efectos. Si se logra bajar el tiempo computacional de esta función con la nueva arquitectura, se tendrá un claro indicador de mejor desempeño. Como Antescofo es una aplicación de audio en tiempo real, es muy difícil medir y comparar performance entre dos versiones. Esto se debe a que el principal objetivo de una

The implementation of the effects from Faust used in “Anthèmes 2” is as follows: • Harmonizer: implemented from a modification of the source code of a pitch shifter implemented by Grame in Faust language. It can be found in Faust’s Git repository. • Frequency shifter: as the harmonizer, it was created from the modification of Grame’s pitch shifter code. • Reverb: this effect was created from the effect freeverb, also created by Grame and available in Faust’s Git repository. • Panner: Both panners are the same; these were implemented from scratch in Faust language and functions by receiving the amplitude value for each of the 6 channels. Then, it was possible to create panning curves for each one of the channels by using Antescofo’s parameter discretization elements. • Mixer: A mixer was also implemented in Faust language to send each signal to its corresponding channel. The sampler could not be implemented with Faust because this tool does not work in the spectral domain, but only in the temporal. In order to be able to compare both versions with equity, the sampler was removed from the original version [4]. After the effects were implemented in Faust, the score of “Anthèmes 2” was adapted to respond to these new tools. The original patch of “Anthèmes 2” was modified to adapt the new architecture, which integrates Faust modular tool. Both versions were obtained this way to be able to compare performance. The tool Time Profiler, from the developer tools provided by Xcode, was used to compare the performance of both versions. Time Profiler allows the user to record a sequence of software usage and to see in detail how much time it takes to execute each function of the source code in real time. This tool was chosen because it shows in detail how much time and how much computational power is needed to execute all the processes related to sound and effects. The different process calls are represented in a tree illustration, and all the details, including CPU percentage used by the process, can be seen therein. For this particular case, the function of interest is called “dspchain_tick”, which is responsible for all sound and effect processing. A clear indication of better performance would be if the new architecture succeeds in reducing the computational time of this function. Since Antescofo is a real time audio application, it is very difficult to measure and compare performance between both versions. This is because the main objective of a real time audio application is not to run as fast as possible, but to finish the computational processes before the arrival of the next audio buffer. To obtain a more accurate measure, a Max MSP mode that allows it to run as fast as possible by reading the entry audio sign from an audio file and not


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aplicación de audio en tiempo real no es correr lo más rápido posible sino que terminar los procesos computacionales antes de la llegada del siguiente buffer de audio. Para lograr medir de forma más precisa, se seleccionó un modo de Max MSP que permite correr lo más rápido posible leyendo la señal de audio de entrada desde un archivo de audio y no desde una fuente de audio en tiempo real. De esta forma, la aplicación pasa a correr en un modo de performance, en cual lo que importa no es el desempeño en tiempo real sino que correr lo más rápido posible. En este modo es posible visualizar de mejor forma el tiempo computacional real tomado en cada proceso del software.

from an audio source in real time was selected. In this way, the application goes on to run in performance mode, in which what matters is that it runs as fast as possible, not its performance in real time. By doing this, it is possible to get a better visualization of the real computational time of each of the software’s process.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Los resultados mostraron que el tiempo requerido para completar la ejecución del proceso “dspchain_tick” en el caso de la versión de Antescofo que maneja el procesamiento de sonidos mediante patches externos comunicados en base el paso de mensajes fue de 5900 ms. Por otra parte, el caso de la versión de Antescofo con cambio en su arquitectura utilizó 3150 ms. Este número representa la suma del tiempo que tomó en completarse la función “dspchain_tick” para todas las veces en que fue llamada durante el desempeño de la aplicación para una sección de “Anthèmes 2” de aproximadamente 1 min de duración.

The results show that the time required to complete the execution of the “dspchain_tick” process in the case of the Antescofo version that manages the sound process by means of external patches transmitted through message passing was of 5900 ms. On the other hand, the Antescofo version with a modification in its architecture used 3150 ms. This number represents the sum of the time that took to complete the function “dspchain_tick” for all the times it was called throughout the performance of the application during a section of “Anthèmes 2” lasting approximately 1 minute.

Este número representa una mejora de un 46% con respecto a la versión original y es un claro indicador de que el cambio en la arquitectura en el caso de aplicaciones de audio en tiempo real mejora el desempeño global de la aplicación. En las Figura 5 puede verse la comparación en tiempo de ejecución entre ambas versiones de Antescofo, junto con los tiempos computacionales requeridos para concretar cada uno de los procesos. El proceso “dspchain_ tick” aparece destacado.

This number represents an improvement of 46% with respect to the original version and it is a clear indicator that the change in architecture in the case of real time audio applications improves the application’s overall performance. Figure 5 shows the comparison in execution time between both Antescofo versions, along with computational times required to complete each process. The “dspchain_tick” process appears highlighted.

Figura 5. Time Profiler para la versión de Antescofo sin herramientas modulares (superior) y con ellas (inferior). Se puede apreciar la diferencia en los rendimientos de la misma pieza corriendo en ambas versiones de Antescofo. Figure 5. Time Profiler for Antescofo version without modular tools (superior) and with them (inferior). The difference in performance while the same piece is running in both versions of Antescofo can be appreciated.


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Como las pruebas fueron ejecutadas en un computador con sistema operativo Mac OS X, la parte de dependencia de la arquitectura de hardware no pudo ser medida en este test. Es por esta razón que las pruebas de performance en la plataforma UDOO aún están pendientes para cuando se tenga una versión más estable. Sin embargo, el resultado arrojado por el Time Profiler permite extender en análisis y aplicar los resultados de forma global. De esta forma, la mejora en performance de un 46% con respecto a la arquitectura anterior representa una mejora real en el desempeño del software, que puede ser extendida a otros sistemas y arquitecturas de hardware tales como el mini computador UDOO. Además permite asegurar que la nueva arquitectura de procesamiento de efectos y sonidos de forma modular es mejor que la que relegaba la responsabilidad a patches externos y se comunicaba mediante mensajes. Con estos resultados, MUTANT comenzó el desarrollo de una nueva versión del algoritmo de scheduling de Antescofo, optimizado exclusivamente para la plataforma UDOO [5]. Los resultados mostrados en este artículo, junto al nuevo algoritmo de scheduling para UDOO, indican que eventualmente se podría correr una versión de Antescofo standalone. De esta forma, se podría tener una pieza de hardware preservada para el futuro, con las partituras de música interactiva pre-cargadas sin miedo a la posibilidad de perder información por obsolescencia de tecnología. Con la integración de las herramientas de procesamiento de sonidos modulares y el nuevo algoritmo de scheduling, el potencial del software crece y alcanza una nueva plataforma, que además permite, por su tamaño y potencial, preservar las piezas de música interactiva a través del tiempo.

Since the tests were executed in a computer with Mac OS X operating system, the hardware architecture dependency part could not be measured in this test. This is the reason why the performance tests in UDOO platform are still pending until a more stable version is available. Nevertheless, the results obtained with Time Profiler allow analysis to expand and the results to be applied in an overall manner. In this manner, a 46% performance improvement with respect to the older architecture represents a real improvement in the performance of the software, which can be expanded to other systems and architectures such as the UDOO minicomputer. It also confirms that the new architecture of sound and effect processing in modular form is better than that which relegated the function to external patches and communicated through message passing. With these results, MUTANT began developing a new version of Antescofo’s scheduling algorithm, optimizing it exclusively for UDOO’s platform [5]. The results shown in this article, along with the new algorithm scheduling for UDOO, indicate that a standalone version of Antescofo could be run eventually. In this manner, a piece of hardware could be preserved for the future, with interactive music scores pre-loaded without fearing the possibility of losing information due to obsolete technology. With the integration of modular sound processing tools and the new scheduling algorithm, the software’s potential grows and reaches a new platform, which also allows, due to its size and potential, to preserve the pieces of interactive music throughout time.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

A lo largo de este artículo se presentó uno de los principales problemas que presenta la música interactiva: la preservación de las piezas musicales en el tiempo. Se mostró el trabajo de MUTANT en la compilación de una versión del software Antescofo para el mini computador UDOO y se presentaron las conclusiones de esta nueva versión. Aquellas conclusiones revelaron que el principal problema en la ejecución de piezas en tiempo real utilizando Antescofo en UDOO se deben a la arquitectura de procesamiento de señales digitales.

Throughout this article, one of the main problems affecting interactive music was presented: the preservation of musical pieces in time. The work of MUTANT in compiling a version of Antescofo software for the UDOO minicomputer was shown and the conclusions of this new version were given. Those conclusions revealed that the main execution problem with the pieces in real time when using Antescofo in UDOO comes from the architecture of digital signal processing.

En respuesta a lo anterior, se desarrolló la nueva arquitectura planteada por el equipo, la cual consideraba la integración de herramientas modulares de procesamiento de señales, específicamente la herramienta Faust. Se presentaron los beneficios de la utilización de esta nueva arquitectura en contraste con la anterior y se realizaron pruebas de desempeño a ambas versiones para poder tener un análisis comparativo. Con estos resultados se buscaba aceptar o rechazar la hipótesis de que la nueva arquitectura mejoraría

In response to this problem, new architecture proposed by the team was developed, which considered the integration of modular signal processing tools, specifically Faust. The benefits of using this new architecture as opposed to the older one were presented and performance test were conducted on both versions to obtain a comparative analysis. With these results, the objective was to accept or reject the hypothesis that the new architecture would improve the software’s sound generation and effect processing performance.


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el desempeño del software en la generación de sonidos y procesamiento de efectos. Para llevar a cabo estas pruebas, se adaptó la pieza musical de Pierre Boulez “Anthèmes 2” para ambas versiones de Antescofo. Los efectos y procesadores de sonido fueron adaptados al lenguaje Faust y se reemplazó el sistema de paso de mensajes anterior. Se adaptaron los eventos de la partitura para responder a la nueva arquitectura y se llevaron a cabo tests de performance. Estas pruebas fueron realizadas a través del software XCode, con la herramienta Time Profiler, corriendo en la plataforma Max MSP en un sistema operativo Mac OS X. Los resultados de estos test permiten concluir que el uso de herramientas de procesamiento de sonidos modulares embebidos en Antescofo optimiza el desempeño de la aplicación en términos del tiempo computacional requerido para procesar la información referente al procesamiento de señales en un 46%. Este resultado puede ser usado como parte de la optimización de la nueva versión de Antescofo para UDOO, en la que MUTANT está trabajando actualmente. Esta mejora permitirá que Antescofo pueda correr de forma standalone en el futuro, creando así una nueva plataforma de composición de música interactiva. Esta investigación y sus resultados permiten concluir que las características técnicas del mini computador UDOO podrían hacer posible la creación de una versión de Antescofo para esta plataforma. Sin embargo, hasta no realizar las pruebas en la nueva versión del software corriendo en la plataforma mencionada, no se sabrá con certeza que una mejora en el rendimiento de la cadena de generación de sonidos de un 46% sea suficiente para que el software corra sin problemas. Sin embargo constituyen los primeros pasos para sentar las bases de la compilación de procesadores modulares de audio en tiempo real en Antescofo para la plataforma UDOO. La creación de una versión de Antescofo para UDOO tiene como consecuencia importante el hecho de que esta nueva plataforma permitirá a la comunidad de músicos contemporáneos preservar sus piezas musicales a través del tiempo. De esta forma, las partituras de música interactiva creadas hoy podrán ser preservadas en este pequeño hardware y luego almacenarse para usos de preservación del arte. Esta se mantendrá intacta y permitirá su ejecución independiente de los cambios tecnológicos que puedan surgir. Las pruebas de desempeño de ambas versiones de Antescofo en ambiente Max MSP y sistema operativo Mac OS X, revelaron un primer acercamiento a la optimización del desempeño de este software para la plataforma UDOO. Sin embargo, cuando se termine el nuevo algoritmo de scheduling para UDOO, se deberán volver a realizar pruebas de desempeño, de forma de tener resultados más precisos acerca de la optimización de Antescofo utilizando la nueva arquitectura de procesamiento de señales.

To conduct these tests, Pierre Boulez’s musical piece “Anthèmes 2” was adapted for both versions of Antescofo. The effects and sound processors were adapted to Faust language and the older message passing system was replaced. The score’s events were adapted to respond to the new architecture and performance tests were conducted. These test were performed through Xcode software and Time Profiler tool, running on Max MSP platform and Mac Os X operating system. These test results lead to a conclusion that using modular sound processing tools embedded in Antescofo optimizes the performance of the application in terms of the computational time required to process information regarding signal processing by 46%. This result can be used as part of the optimization of the new version of Antescofo for UDOO, in which MUTANT is currently working. This improvement will allow Antescofo to run in standalone form in the future, thus creating a new platform for interactive music composition. This research and its results lead to the conclusion that the technical characteristics of the UDOO minicomputer could make possible the creation of an Antescofo version for this platform. However, until further testing is done on the new version of the software running on the referenced platform, the question of whether a 46% improvement in the performance of the sound generation chain is sufficient for the software to run without problems will remain uncertain. Nevertheless, it constitutes the first steps to set the foundations of the compilation of Antescofo’s modular sound processing in real time for UDOO’s platform. The creation of a new version of Antescofo for UDOO can offer a new platform that will allow the community of contemporary musicians to preserve their works throughout time. In this manner, the scores of interactive music created today could be preserved in this small hardware and later stored for art preservation purposes. The pieces will remain intact and their execution will be possible despite of any technological changes that may occur. The performance tests of both Antescofo versions in Max MSP for Mac Os X operating systems first revealed an approach for optimizing this software for UDOO’s platform. However, once the new scheduling algorithm for UDOO is ready, new performance testing will be conducted in order to obtain more precise results regarding Antescofo’s optimization by using new signal processing architecture.


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AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGMENTS

A toda la gente que de una u otra forma contribuyó en la obtención de la beca que me permitió realizar mi pasantía en IRCAM. En particular a mi familia, por todo su apoyo; a Pierre Donat-Bouillud, por su paciencia y disposición; y a todo el equipo MUTANT, por la acogida, simpatía y las interesantes conversaciones sobre música y computación.

To all the people who helped, in one way or another, to obtain the scholarship that allowed me to accomplish my fellowship at IRCAM. Especially to my family, for all their support; to Pierre Donat-Bouillud, for his patience and disposition; and to the entire MUTANT team, for their acceptance, friendliness, and the interesting conversations about music and computer science.

Glosario

Glossary

INRIA: Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique. IRCAM: Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique. CNRS: Centre National de la Recherche Scientifique. UDOO: Mini computador creado por Aidilab SRL SECO USA Inc. Incluye un procesador ARM Cortex A9, que corresponde a dos CPU Freescale i.MX 6. Además posee 1 GB de memoria RAM y una interfaz de Arduino. Machine Listening: Técnica para obtener información útil desde señales de audio utilizando software y hardware. Anthèmes 2: Es una pieza de música interactiva compuesta en 1997 por Pierre Boulez, fundador del IRCAM. Parte de los componentes electrónicos de la pieza son samplers, frequency shifters, armonizadores, reverbs y componentes de espacialización. Grame: Centre National de Création Musicale, Lyon. France. Repositorio Git: Espacio de almacenamiento del código fuente de programas escritos mediante el software de control de versiones Git.

INRIA: Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique. IRCAM: Institut de Recherche et Coordination Acoustique/Musique. CNRS: Centre National de la Recherche Scientifique. UDOO: Minicomputer created by Aidilab SRL SECO USA Inc. Includes an ARM Cortex A9 processor, which corresponds to two CPU Freescale i.MX 6. In addition, it has 1 GB RAM memory and an Arduino interface. Machine Listening: Technique to obtain useful information from audio signals by using software and hardware. Anthèmes 2: Interactive music piece composed in 1997 by Pierre Boulez, founder of IRCAM. Part of the electronic component of the piece are sampler, frequency shifters, harmonizers, reverbs and spacialization components. Grame: Centre National de Création Musicale, Lyon. France. Git Repository: Storage space of the source code of a program written by the software of control of Git version.

Principio Científico

Scientific Principle

El principio científico utilizado en este artículo se basa en el aumento de la eficiencia en el uso de recursos computacionales y en la disminución del tiempo de ejecución de funciones utilizadas en el procesamiento de sonidos y efectos. El cambio en la arquitectura del procesamiento de señales de Antescofo, desde un software cuyas señales eran procesadas en patches externos por un sistema de paso de mensajes, hacia la integración de herramientas especializadas de procesamiento de señales, permite un aumento sustancial en la eficiencia en el tiempo de ejecución. El argumento principal de esto es que, al integrar por código herramientas modulares de procesamiento de señales, se permite una mejor utilización de los recursos computacionales. Esto se basa principalmente en la pre-

The scientific principle used in this article is based on the increase of efficiency in usage of computational power and the reduction of execution time in functions used by sound and effect processing. The change in Antescofo’s signal processing architecture, from a software whose signals were processed in external patches by a message passing system, to the integration of tools specialized in signal processing, permits a substantial increase in execution time efficiency. The main arguments is, when modular signal processing tools are integrated by code, a better usage of computational powers occurs. This is based primarily in the pre-compilation of effects and signal processors at the time the score is loaded. With the old architecture, all the processing occurred outside


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compilación de los efectos y procesadores de señales en el momento de cargar la partitura. Con la arquitectura anterior, todo el procesamiento ocurría fuera de Antescofo como una caja negra, en cambio, con las herramientas integradas en el código fuente del programa, se permite un mejor manejo de los recursos en tiempo de ejecución al tener acceso a optimización del código fuente de las herramientas modulares embebidas.

Antescofo as in a black box; however, with the tools integrated in the program’s source code, it is possible to have a better control of execution times resources by having access to optimization of the source code of embedded modular tools.

REFERENCES [1] GIAVITTO, J. L. et al. Antescofo, a not-so-short introduction to version 0.x [online]. 2015. Available at: http://support.ircam. fr/docs/Antescofo/AntescofoReference.pdf [2] PUCKETTE, M. Pd Documentation [online]. Available at: http://puredata.info/docs/manuals/pd [3] GAUDRAIN, E.; ORLAREY, Y. A Faust Tutorial [online]. Lyon, 2003. Available at: http://faust.grame.fr/images/faust-doc/ Faust_tutorial.pdf [4] FRIGO, M.; JOHNSON, S. FFTW [online]. 2012. Available at: http://www.fftw.org/fftw3.pdf [5] DONAT-BOUILLUD, P. Multimedia scheduling for interactive multimedia systems. Multimedia [cs.MM]. 2015. Available at: https://hal.inria.fr/hal-01168098

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Nicolás Schmidt

Arshia Cont

Jean-Louis Giavitto


Investigaciones de los alumnos / 121

Determinación de parámetros hidráulicos de cubiertas vegetales a través de experimentos de drenaje y simulación inversa con Hydrus 1D Determination of hydraulic parameters of green roofs through drainage experiments and inverse modeling with Hydrus 1D Nicole Blin1, Alumna de 5to año Victoria Sandoval1, Alumna de magister Francisco Suárez1*, Profesor Asociado Felipe Victorero2, Arquitecto Carlos Bonilla1, Profesor Asociado Jorge Gironás1, Profesor Asociado Sergio E. Vera2, Profesor Asistente Waldo Bustamante3, Profesor Titular Vicky Rojas4, Arquitecto Pablo Pastén1, Profesor Asociado

Nicole Blin1, 5th year student Victoria Sandoval1, Master’s student Francisco Suárez1*, Associate Professor Felipe Victorero2, Architect Carlos Bonilla1, Associate Professor Jorge Gironás1, Associate Professor Sergio E. Vera2, Assistant Professor Waldo Bustamante3, Full Professor Vicky Rojas4, Architect Pablo Pastén1, Associate Professor

1 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 3 Escuela de Arquitectura, Pontificia Universidad Católica de Chile 4 VR+ARQ, Chile *Autor de correspondencia: fsuarez@ing.puc.cl

1 Department of Hydraulic and Environmental Engineering, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Department of Construction Engineering and Management, Engineering School, Pontificia Universidad Católica de Chile 3 Architecture School, Pontificia Universidad Católica de Chile 4 VR+ARQ, Chile * Corresponding author: fsuarez@ing.puc.cl


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RESUMEN

ABSTRACT

Las cubiertas vegetales son soluciones tecnológicas que integran vegetación e infraestructura para obtener beneficios tales como la reducción de escorrentía superficial proveniente de los techos de casas o edificios. El funcionamiento adecuado de una cubierta vegetal depende del sustrato, un medio artificial que presenta un mejor comportamiento comparado con suelos naturales. Es por esto que es muy importante investigar las propiedades que caracterizan dicho sustrato para poder mejorar su desempeño. En este trabajo se investigan las propiedades hidráulicas de tres sustratos comúnmente utilizados en cubiertas vegetales, correspondientes a Las Brujas, Verde Activo y Jardinsen, mediante experimentos de drenaje y simulaciones numéricas. Estos experimentos consisten en saturar columnas de sustrato con agua para luego ser drenadas fijando distintas alturas de presión con respecto al fondo de la columna. Los datos obtenidos del experimento permiten determinar la curva de retención de agua y la conductividad hidráulica del sustrato mediante simulación inversa realizada en el programa Hydrus 1D. Se concluyó que, de los tres sustratos estudiados, el que tiene mayor capacidad para retener una determinada cantidad de agua es Jardinsen. Por lo tanto, se recomienda utilizar este sustrato para reducir la escorrentía superficial de tormentas de pequeños períodos de retorno.

Green roofs are technological solutions that integrate vegetation into infrastructures to reach benefits such as the reduction of rooftop runoff peak flows. The proper performance of a green roof depends on its substrate, which is an artificial media that has an improved performance compared to natural soils. Therefore, it is very important to investigate the substrate properties to characterize the behavior of a green roof, and to optimize its performance. This work investigates the hydraulic properties of three substrates commonly found in green roofs, corresponding to Las Brujas, Verde Activo and Jardinsen, by means of drainage experiments and numerical simulations. The drainage experiments consist in substrate columns that are saturated with water and then drained by fixing different pressure heads at the bottom of the column. These experimental data enables the determination of the water retention and hydraulic conductivity curves of each substrate by inverse modeling using the Hydrus 1D software. It was concluded that, among the three substrates used in this investigation, the Jardinsen substrate retained a larger amount of water. Therefore, we recommend the use of this substrate to reduce surface runoff of storms with small return period.

Palabras clave: Cubiertas vegetales, ciudades sustentables, curva de retención hidráulica, conductividad hidráulica, parámetros hidráulicos

Keywords: Green roofs, sustainable cities, hydraulic retention curve, hydraulic conductivity, hydraulic parameters

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

El desarrollo urbano sustentable ha promovido diversas soluciones tecnológicas que minimizan los impactos adversos de una ciudad. Las cubiertas vegetales son estructuras con múltiples capas constructivas que permiten incorporar vegetación a las construcciones (Figura 1), y que han captado la atención de la sociedad debido a que entregan grandes beneficios de manera simultánea. Por ejemplo, permiten remover contaminantes, atenuar ruidos, incrementar la biodiversidad, reducir la escorrentía y mejorar el aislamiento térmico de estructuras, además de proporcionar ambientes más placenteros en el contexto urbano [1].

Sustainable urban development has promoted different technological solutions that reduce the negative impacts on a city. Green roofs are structures with multiple constructive layers which make possible to add vegetation to constructions (Figure 1), and which have drawn public attention because of the great benefits they bring simultaneously. For example, they can remove pollutants, reduce noise, increase biodiversity, diminish runoff, and improve thermal isolation of structures, besides providing more pleasurable environments in urban contexts [1].

Para que una cubierta vegetal entregue los beneficios anteriormente señalados, se debe diseñar correctamente cada una de sus capas constructivas. El sustrato es una

To provide the benefits mentioned above, each one of the constructive layers of the green roof must be properly designed. One of the most important layers is the


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de las capas de mayor interés porque entrega a la vegetación los recursos necesarios para su sobrevivencia: nutrientes, agua y un medio en el cual crecer [2]. Las propiedades físicas del suelo determinan el flujo de agua en la cubierta, un factor vital para subsistencia de la vegetación [2]. Por lo demás, los sustratos también tienen un rol importante en los flujos de agua y calor en la cubierta, influyendo en su capacidad de reducción de escorrentía, como también en los beneficios térmicos asociados [3-5].

substrate, because it gives vegetation the resources it needs to survive: nutrients, water and a growing media [2]. The soil’s physical properties determine the water flow on the roof, which is an essential factor for vegetation survival [2]. Besides, substrates also play an important role in the water and heat fluxes on the roof. The substrate influences the green roof runoff reduction capacity, as well as its thermal insulation [3-5].

Despite their importance, the substrates that are typically available in the market do A pesar de su importancia, not have a characterization los sustratos comúnmente that helps understanding the disponibles en el mercado main physical processes that no cuentan con una occur in them. Therefore, caracterización que permita the objective of this paper is comprender los principales to determine the hydraulic Figura 1. Esquema de las capas constructivas de una cubierta procesos físicos que ocurren properties of different vegetal en ellos. Por lo tanto, el substrates commonly used objetivo de este trabajo es in green roofs in Chile. This Figure 1. Diagram of constructive layers of green roofs determinar las propiedades characterization is the first hidráulicas de distintos step to create modeling tools to predict the behavior of green roofs, and to support the sustratos comúnmente utilizados en cubiertas vegetales design process of these technological solutions. chilenas. Esta caracterización es el primer paso para generar herramientas de modelación que permitan predecir el comportamiento de las cubiertas vegetales y apoyen el diseño de estas soluciones tecnológicas. 2. TEORÍA

2. THEORY

El flujo de agua en un sustrato se encuentra fuertemente influenciado por las propiedades hidráulicas del mismo. Estas propiedades dependen de la estructura del suelo, como la porosidad, densidad aparente y granulometría. Estas características determinan la capacidad de retener agua en el suelo y conducir fluido. Las propiedades principales son la curva de succión y la curva de conductividad hidráulica [6].

Water flow in a substrate is strongly influenced by its hydraulic properties. These properties depend on the soil structure, such as porosity, bulk density, and grain size distribution, which determine the capacity of the soil to retain and transmit water. The main hydraulic properties are the water retention curve and the hydraulic conductivity curve [6].

La curva de succión, , representa la altura de presión con la cual el suelo retiene agua en sus poros y es función del contenido de humedad presente en el suelo. Cuando los poros del suelo se encuentran llenos de agua, la energía con la que se retiene el agua es nula, mientras que, cuando el nivel de humedad disminuye, aumenta la succión existente en el suelo [6]. En este trabajo se utilizó el modelo de van Genuchten [7] para representar la curva de succión:

The water retention curve,, represents the pressure head with which the soil retains water in its pores, and depends on the moisture content of the soil. When the soil pores are filled with water, the capillary forces that retain water are null, while when the moisture level diminishes, the suction related to the capillary forces within the soil increases [6]. In this paper, the van Genuchten model [7] was used to represent the water retention curve:


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(1)

(1)

donde Se es el nivel de saturación, θr y θs representan la humedad residual y humedad saturada, respectivamente; α es el inverso de la presión de burbujeo; n y m son parámetros empíricos de ajuste.

where Se is the saturation level, θr and θs represent the residual volumetric water content and saturated volumetric water content, respectively; α is the inverse of the air-entry pressure ; and n and m are empirical parameters.

La conductividad hidráulica representa la facilidad con la que se mueve el agua a través de los poros del sustrato (ver principio científico). Los parámetros de la curva de succión (α, n, Ks) son los parámetros que se desean encontrar para tres sustratos utilizados en cubiertas vegetales gracias al programa de modelación Hydrus 1D.

Hydraulic conductivity represents the movement of the water through the substrate pores (see scientific principle). We aim finding the water retention curve parameters (α, n, Ks) for the three green roof substrates using the Hydrus 1D modeling software.

3. METODOLOGÍA

3. METHODOLOGY

Para determinar los parámetros hidráulicos de las cubiertas vegetales, se eligieron tres sustratos comúnmente utilizados en Chile para realizar las experiencias de drenaje (Figura 2). El primer sustrato contiene residuos vegetales (“Las Brujas”); el segundo sustrato es una mezcla de tierra de hojas, perlita y un mineral volcánico (“Jardinsen”); y el tercer sustrato contiene ladrillo molido, compuesto principalmente por arcilla (“Verde activo”).

To determine the hydraulic parameters of the green roof substrates, three substrates commonly used in Chile were selected to perform some drainage experiments (Figure 2). The first substrate contains vegetable residues («Las Brujas»); the second substrate is a mix of leaf mould, perlite and a volcanic mineral (“Jardinsen”); and the third substrate contains crushed brick mainly made of clay (“Verde activo”).

Cada experimento de drenaje consistió en colocar un sustrato en una columna de 19 cm de diámetro y 16 cm de alto, tal como se muestra en la Figura 3. La columna se satura con agua desde abajo hacia arriba, de modo que no quede aire retenido en los poros del suelo. A continuación, se drenó el sustrato bajo distintas alturas de presión (h de la

Each drainage experiment consisted in placing a substrate in a column of 19 cm of diameter and 16 cm of height, as shown in Figure 3. The column was saturated with water from below so that no air remained in the soil pores. Next, the substrate was drained under different pressure heads

Figura 2. Sustratos estudiados. De izquierda a derecha: Jardinsen, Las Brujas y Verde activo. Figure 2. Substrates analyzed. From left to right: Jardinsen, Las Brujas, and Verde Activo.


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Figura 3) y se registró el cambio en el peso de la columna con una balanza electrónica cada 10 s [8]. Las alturas de presión generan un cambio en la velocidad de drenaje del sustrato, la cual se estabiliza dependiendo de las propiedades hidráulicas del mismo. En este caso, para cada altura de presión se esperó lograr la estabilidad del flujo. Las alturas de presión se establecieron a alturas fijas, a través de llaves, para no interferir en el registro de peso de la balanza. El cambio de peso de la columna en cada experiencia permite determinar la evolución temporal de la humedad promedio de la columna y del flujo acumulado de agua por unidad de área. Esto se hace con el fin de determinar posteriormente los parámetros hidráulicos de los sustratos. Para encontrar la humedad media de la columna, se utiliza el principio de conservación de masa para cada intervalo de tiempo, según la siguiente ecuación:

(h in Figure 3) and change in weight of the column was registered using an electronic scale every 10 s [8]. This change in weight was used to determine the moisture content of the column (as described below). Pressure heads usually change the substrate draining speed, which gets stable depending on the substrate hydraulic properties. In this case, flow stability was the aim for each pressure head. Pressure heads were established at fixed heights by means of valves, so as to not interfere with the weight reading of the electronic scale. The change in weight of the column in each experiment helps determine the time evolution of the average moisture of the column and the accumulated water flow by unit area. This is done with the objective of determining the substrate hydraulic parameters. To find the average moisture of the column, the mass conservation principle is used for each time period during the experiment, according to the following equation:

(2)

(2)

donde Vtotal es la altura de la columna (ver Figura 3) multiplicada por el área transversal (A); θ es la humedad; M es la masa de la columna; los subíndices t y t+1 son los tiempos anterior y actual respectivamente y ρH2O es la masa específica del agua.

where Vtotal is the pressure head (see Figure 3) multiplied by the cross-sectional area (A); θ is the moisture; M is the column mass; sub-indexes t and t+1 refer to past and current time, respectively; and ρH2O is the specific water mass.

El flujo acumulado es la cantidad de agua acumulada que drena desde el fondo de la columna expresado como altura de agua. Para obtenerlo, se multiplica el peso por la densidad del agua y se divide por el área transversal de la columna.

The cumulative flow is the water accumulated that drains from the bottom of the column, expressed as water height. To calculate it, the weight is multiplied by the water density and divided by the cross-sectional area.

Figura 3. Esquema del experimento de drenaje para la determinación de las propiedades hidráulicas del sustrato. La instalación experimental permite fijar distintas alturas de presión en el fondo de la columna de sustrato. Figure 3. Diagram of the drainage experiment in order to determine the hydraulic properties of the substrate. The experimental setup makes it possible to fix different pressure heads in the bottom of the substrate column.


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Las experiencias de drenaje fueron representadas mediante el modelo computacional Hydrus 1D [9]. El modelo Hydrus 1D permite representar el flujo de agua a través de un sustrato mediante la resolución de la ecuación de Richards [9] (ver principio científico). Los parámetros hidráulicos de cada sustrato se determinaron a través de simulaciones inversas. Una simulación inversa se define como la obtención de parámetros a través de funciones objetivo (en este caso, flujo acumulado y humedad en el tiempo) en las cuales se cambian los parámetros hasta obtener el mejor ajuste entre datos medidos y datos modelados. El modelo necesita condiciones de borde, condiciones iniciales y funciones objetivo. En este caso, para la condición de borde superior el flujo de agua es nulo, mientras que para la condición de borde inferior se ingresan los datos de altura de presión medidos durante las experiencias. La condición inicial corresponde a la altura de presión para cada punto vertical en la columna, es decir, altura de presión nula para la superficie y 16 cm para el fondo. Las funciones objetivo son el flujo acumulado y la humedad media de la columna en el tiempo. Finalmente, se ingresan los datos mencionados al modelo Hydrus 1D, para obtener valores de α, n y Ks. Estos parámetros se cambian para ajustar el modelo entregado por Hydrus a los datos experimentales.

The draining experiences were modeled using the Hydrus 1D software [9]. The Hydrus 1D model represents the water flow through a substrate by solving the Richards equation [9] (see scientific principle). The hydraulic parameters of each substrate were determined by means of inverse modeling. An inverse modeling is defined as a method to obtain parameters through objective functions (in this case, cumulative flow and moisture in time), in which parameters are changed to obtain the best fit between measured and modeled data. The model needs boundary conditions, initial conditions and objective functions. In this case, for the top boundary condition, the water flow was zero, while for the bottom boundary condition, the pressure head data measured during the experiences was used. The initial condition corresponds to the hydrostatic pressure head within the column, that is, null pressure head at the surface and 16 cm at the bottom. Objective functions are the differences between measured and modeled cumulative flow and the average moisture of the column in time. Finally, the data mentioned were entered into the Hydrus 1D model to obtain the parameters α, n and Ks. These parameters are varied to fit the Hydrus model results to the experimental data.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4. RESULTS AND DISCUSSION

Las simulaciones inversas realizadas con Hydrus 1D permitieron obtener los valores de los parámetros de van Genuchten (Figura 4 y Tabla 1) que ajustan de mejor manera los resultados del modelo a los resultados experimentales.

The inverse modeling done with Hydrus 1D resulted in the van Genuchten parameter values (Figure 4 and Table 1) that adjust better the results of the model to those of the experiments.

En la Figura 4 se presentan las curvas obtenidas por el modelo Hydrus 1D luego del ajuste de parámetros (presentados en la Tabla 1). En las Figuras 4a, 4c y 4e se muestra la evolución del contenido de humedad en los distintos sustratos, mientras que en las Figuras 4b, 4d y 4f se presenta el flujo acumulado en el fondo de la columna. Para el caso de Las Brujas, el contenido de humedad modelado se ajusta bien a los resultados experimentales, aunque el modelo sobreestima levemente el contenido de humedad observado. El flujo acumulado simulado también representa correctamente los resultados experimentales, pero a diferencia del contenido de humedad, el modelo subestima levemente los flujos acumulados.

In Figure 4, the curves obtained using the Hydrus 1D model are shown after the parameter adjustment (presented in Table 1). In Figures 4a, 4c and 4e, the moisture content evolution of the different substrates is shown, while in Figures 4b, 4d and 4f, the cumulative flow at the bottom of the column can be observed. In the case of Las Brujas, the modeled moisture content fits well the experiment results, although the model slightly overestimates the observed moisture. The modeled cumulative flow also represents the experiment results correctly, but contrary to the moisture content, the model slightly underestimates the cumulative flows.


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Figura 4. Ajuste de curvas de contenido de humedad y de flujo acumulado para los sustratos estudiados. Figure 4. Adjustment of the moisture content and accumulated flow curves for the substrate analyzed.

Para Jardinsen, la Figura 4 muestra las curvas obtenidas luego del ajuste de parรกmetros de la simulaciรณn en Hydrus 1D. Se observa que el modelo sobreestima el contenido de humedad del sustrato al comienzo de la experiencia, mientras que lo subestima entre los 2000 y 4000 s. De la curva de flujo acumulado se puede observar que el modelo sobreestima la cantidad de agua que el suelo entrega en el tiempo entre los 2.000 y 3.500 s. En el caso de Verde Activo la curva del contenido de humedad del modelo se ajusta bien a los datos experimentales hasta los 3.500 s, tiempo en que el modelo comienza a sobreestimar

For Jardinsen, Figure 4 shows the curves obtained after adjusting the modeling parameters in Hydrus 1D. It can be seen that the simulation overestimates the substrate moisture content at the beginning of the experiment, while it underestimates it between the 2000 and 4000 s. The cumulative flow reveals that the model underestimates the water quantity of the soil between 2000 and 3500 s. In the case of Verde Activo, the moisture content curve of the model fits well the experiment data until 3500 s, time in which the model starts to overestimate the moisture observed. In the case of the cumulative flow curve, it can


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Table 1. To the left, parameters found in the modelings made with Hydrus 1D. To the right, results of a previous research [10]. Defined parameters

Parameters of [10]

n

α

Ks

N

α

Ks

(-)

(cm-1)

(cm s-1)

(-)

(cm-1)

(cm s-1)

Las Brujas

3.10

0.1

1.2x10-3

2.72

0.19

3.0x10-3

Jardinsen

1.20

2.0

3.0x10-3

1.01

0.06

8.0x10-3

Verde Activo

1.57

2.3

6.7x10-3

2.11

4.97

1.3x10-3

Substrate

el contenido de humedad observado. En el caso de la curva de flujo acumulado se observa que también al final del experimento (3.000 s) el modelo difiere de los datos experimentales. Es importante destacar que, si se comparan las curvas de contenido de humedad de los tres sustratos, el sustrato Verde Activo es el que presenta, en promedio, una pendiente mayor, lo que implica que es capaz de liberar una mayor cantidad de agua en poco tiempo. En términos de resultados numéricos obtenidos a partir de las simulaciones, estos se asimilan a los encontrados en la literatura [10], lo que indica que tienen coherencia y que las modelaciones inversas realizadas se hicieron de forma correcta. En particular se comparan los resultados con otras investigaciones (datos a la derecha de la Tabla 1). Si bien los valores de los parámetros difieren, se observan similitudes principalmente en el sustrato Las Brujas y en el parámetro n en general. No ocurre así para la conductividad hidráulica, donde las diferencias pueden llegar a ser más del doble del valor reportado en la literatura [10]. Sin embargo, todas estas diferencias se encuentran dentro de un mismo orden de magnitud, por lo que son relativamente pequeñas. Estas diferencias pueden deberse a la composición específica de cada sustrato, la compactación del sustrato, o a la cantidad de aire retenida en el sustrato, lo que determina su porosidad, entre otros factores.

also be seen that, at the end of the experiment (3000 s), the model differs from the experimental data. It is important to highlight that, when comparing the moisture content curves of the three substrates, the Verde Activo substrate is the one that presents, in average, a higher slope, which means that it is able to release a higher quantity of water in a short time. Regarding the numerical results from the modelings, these are similar to those found in the bibliography [10], which means that they are coherent and that the inverse modelings were done correctly. Particularly, results can be compared to data from other papers (data in the right side of Table 1). Although parameter values differ, some similarities can be observed, mainly in the Las Brujas substrate and in the parameter n in general. The same does not occur in the case of the hydraulic conductivity, where differences can double the values reported in the literature [10]. However, all these differences are within the same order of magnitude. These differences may be due to the specific composition of each substrate, the substrate compression, or the quantity of water retained in the substrate, which, along with other factors, determine its porosity.

5. CONCLUSIONES

5. CONCLUSIONS

De los resultados obtenidos se observa que tanto las propiedades hidráulicas de los sustratos como las curvas de retención de humedad obtenidas son diferentes, por lo que los beneficios que entregará cada sustrato al funcionamiento de las cubiertas vegetales también lo son. Las propiedades de cada sustrato dependen de su composición específica y de sus propiedades físicas tales como su compactación y porosidad. Es importante entonces definir el objetivo que se le dará al techo verde en cuestión para así definir el sustrato adecuado para su construcción. Por ejemplo, si se desea regular la escorrentía sobre el pavimento en ciudades, se buscará un sustrato que sea capaz de retener más agua. Así, el sustrato óptimo corresponde a Jardinsen, ya que es el sustrato que tarda más en liberar una determinada cantidad de agua.

The results obtained reveal that the hydraulic properties of the substrates, as well as the water retention curves, are different, so the benefits of each substrate in relation to green roofs are also different. The properties of each substrate depend on their specific composition and physical properties, such as compression and porosity. Therefore, it is important to define the objective of the green roof to determine the right substrate to use in the construction. For example, if urban pavement runoff regulation is the aim, a substrate that can retain water must be selected. Thus, the best substrate is Jardinsen, because it is the one that takes longer to release a certain quantity of water.


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AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Los autores desean agradecer al proyecto INNOVACORFO 12IDL2-13630: “Soluciones integrales de cubiertas vegetales sustentables para edificios comercialesindustriales en climas semiáridos de Chile”, por la posibilidad de colaborar en su proyecto y por facilitar el sustrato analizado, y al Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS - CONICYT/FONDAP/15110020) por apoyo de laboratorio.

The authors would like to thank INNOVA-CORFO 12IDL213630: “Soluciones integrales de cubiertas vegetales sustentables para edificios comerciales-industriales en climas semiáridos de Chile” Project for the possibility of collaborating with their project and for making the analyzed substrates available, as well as the Center of Sustainable Urban Development (CEDEUS - CONICYT/ FONDAP/15110020) for their support in the lab.

GLOSARIO

Glossary

Altura de presión: Energía por unidad de área a la cual se encuentra el agua en los poros (espacios vacíos) del suelo. Es una representación de la presión existente en ese punto [11]. Contenido de humedad: Fracción de agua contenida en el volumen total que ocupa un suelo. Se puede expresar como porcentaje en peso o volumen [11]. Cubierta vegetal: Tipo de techumbre que está parcial o totalmente cubierta por vegetación. Se compone de un sustrato artificial y otras capas que dependen del objetivo tecnológico de la cubierta (Figura 1). Se diseñan principalmente para minimizar los impactos de la urbanización. Densidad aparente: Relación entre la masa de suelo y el volumen del recipiente que lo contiene [11]. Granulometría: Caracterización de un suelo según la forma y tamaño de los granos que lo conforman [11]. Humedad residual: Mínima fracción de agua que puede contener el volumen que ocupa un suelo [11]. Humedad saturada: Máxima fracción de agua que puede contener el volumen que ocupa un suelo [11]. Presión de burbujeo: Succión a la cual el aire puede comenzar a entrar a los espacios vacíos cuando el medio poroso deja de estar saturado [11]. Porosidad: Corresponde a la relación entre el volumen que ocupan los espacios vacíos (sin partículas) y el volumen total de suelo [11]. Succión: Energía por unidad de área a la cual se encuentra el agua en los poros del suelo cuando esta es negativa [11] Sustrato: Medio artificial de crecimiento y vida de plantas o animales [11].

Pressure head: Energy per unit area by which water is held in the pores (empty spaces) of the soil. It is a representation of the pressure in this point [11]. Moisture content: fraction of water contained in the total volume of a soil. It can be expressed as weight or volume percentage [11]. Green roofs: Type of roof that is partially or completely covered by vegetation. It is composed of artificial substrate and other layers that depend on the technological objective of the roof (Figure 1). They are mainly designed to minimize the impacts of urbanization. Bulk density: Relation between the soil mass and the volume of the recipient in which it is contained [11]. Grain size distribution: Characterization of the soil according to the form and size of its grains [11]. Residual volumetric water content: Lowest fraction of water that can be contained in the volume of a soil [11]. Saturated volumetric water content: Highest fraction of water that can be contained in the volume of a soil [11]. Air-entry pressure: Suction to which air can begin to enter into the empty spaces when the porous soil is no longer saturated [11]. Porosity: Corresponds to the relation between the volume of the empty spaces (without particles) and the total soil volume [11]. Suction: Energy per unit area at which water enters into the soil pores when it is negative [11] Substrate: Artificial medium for growing and keeping plants and animals [11].


130 / Investigaciones de los alumnos

Principio científico

Scientific Principle

Flujo de agua en medios porosos: El flujo de agua a través de un sustrato se rige por la Ecuación de Richards, que es la combinación de la ecuación de continuidad con la Ley de Darcy [9, 11]:

Water flow in porous media: The water flow through a substrate is governed by the Richards Equation, which combines the continuity equation with Darcy’s Law [9, 11]:

donde K(h) es la conductividad hidráulica del agua a una presión h; z es la coordenada espacial vertical; t es tiempo, y C(h) es la capacidad capilar, definida como:

where K(h) is the hydraulic conductivity of the water to h pressure; z is the vertical spatial coordinate; t is time, and C(h) is the specific moisture capacity, defined as:

donde θ es el contenido de humedad volumétrico del suelo. Para determinar la capacidad capilar, es necesario conocer la curva de succión (ecuación 1).

where θ is the land’s volumetric moisture content. To determine the specific moisture, the suction curve must be known (Equation 1).

Para poder resolver la ecuación de Richards se necesita conocer la curva de succión y la conductividad hidráulica del sustrato. Esta última fue estimada con el modelo de van Genuchten-Mualem [7]:

To solve the Richards Equation, the substrate suction curve and hydraulic conductivity must be known. The hydraulic conductivity was estimated using the van GenuchtenMualem model [7]:

donde 1 es el parámetro de conexión entre poros.

where 1 is the pore-connectivity parameter [7].

REFERENCES [1] SAADATIAN, O., et al. “A review of energy aspects of green roofs”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, vol. 23, p. 155-168. [2] CAMPBELL, G. S.; NORMAN, J. M. An Introduction to Environmental Biophysics. New York: Springer, 1998, p. 1–144. [3] FANG, C. “Evaluating the thermal reduction effect of plant layers on rooftops”. Energy and Buildings, 2008, vol. 40, no 6, p. 1048-1052. [4] POMPEII, W. C.; HAWKINS, T. W. “Assessing the impact of green roofs on urban heat island mitigation: a hardware scale modeling approach”. The Geographical Bulletin, 2011, vol. 52, no. 1, p. 52-61. [5] SAILOR, D. J.; HAGOS, M. “An updated and expanded set of thermal property data for green roof growing media”. Energy and Buildings, 2011, vol. 43, no. 9, p. 2298-2303. [6] SUÁREZ, F. “Estudio experimental del movimiento de simazina en columnas de suelo”. MA Thesis, Pontificia Universidad


Investigaciones de los alumnos / 131

Católica de Chile, Santiago, 2006. [7] Van Genuchten, M.Th. “A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils”. Soil Science Society of America Journal, 1980, vol. 44, no. 5, 892-898. [8] Cientec, Sartorius Midrics MW1PU1-60ED-L industrial scale, Instrumentos cientificos S.A. Área Laboratorio / Balanza para laboratorio, 2014, p. 1-87. [9] ŠIMUNEK, J., et al. The HYDRUS-1D Software Package for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably-Saturated Media. University of California Riverside, California, 2013, p.1-46. [10] Sandoval, V.P., et al. “Impact of the properties of a green roof substrate on its hydraulic and thermal behavior”. 6th International Building Physics Conference. Torino, Italy, June 14-17, 2015. [11] JURY, W. A.; HORTON, R. Soil physics. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2004, p. 5-199.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Nicole Bin

Victoria Sandoval

Francisco Suárez

Felipe Victorero

Carlos Bonilla

Jorge Gironás

Sergio Vera

Waldo Vicky Rojas Bustamante

Pablo Pastén