Motor de pistón libre: la idea que llevaba un siglo esperando al ordenador

Coge tu motor. Quítale el cigüeñal. Quítale las bielas. Quítale el volante de inercia. Quítale todo lo que convierte el sube y baja del pistón en un giro.

¿Qué te queda? Un pistón suelto dando botes dentro de un cilindro. Explosión, sale disparado en una dirección. Algo lo frena y lo devuelve. Otra explosión, vuelve a salir. Adelante y atrás, adelante y atrás, sin nada que lo ate a un eje que gire. Un pistón libre. De ahí el nombre: free-piston.

Suena a chatarra. A motor a medio montar. Y sin embargo es una de las ideas más elegantes que ha dado el motor de combustión, una que lleva cien años apareciendo y desapareciendo, que tiene un pie en Barcelona, y que justo ahora, en plena era del coche eléctrico, podría tener por fin su momento. Porque al free-piston le faltaba algo que no existió hasta hace cuatro días: un ordenador capaz de controlarlo.

Por qué quitar el cigüeñal no es una locura

Lo primero que piensas es: ¿y para qué quiero un pistón que no mueve ruedas? Pues depende de qué le pidas al motor.

Un motor normal tiene un trabajo doble. Quema combustible para liberar energía, y luego un sistema de bielas y cigüeñal traduce el movimiento lineal del pistón en el movimiento giratorio que necesitan las ruedas. Esa traducción cuesta. Hay rozamiento, hay pérdidas, hay un montón de hierro girando solo para cambiar la dirección del movimiento.

Pero ¿y si no necesitas que las ruedas giren directamente? ¿Y si lo único que quieres es generar electricidad? Entonces ese movimiento lineal del pistón te vale tal cual. Le pegas un imán al pistón, lo haces moverse adelante y atrás entre unas bobinas, y ya está: tienes un generador. Es la ley de Faraday de toda la vida, un imán que se mueve dentro de una bobina induce corriente. El movimiento lineal del pistón genera electricidad directamente, sin pasar por el giro. Eso es un generador lineal de pistón libre.

Y al quitar el cigüeñal ganas cosas serias. Menos piezas, menos rozamiento. El pistón no está obligado a recorrer siempre la misma carrera, así que puedes variar la compresión sobre la marcha. Y como no hay una geometría fija que respetar, puede tragar casi cualquier combustible: gasolina, diésel, hidrógeno, biocombustibles. Compacto, eficiente, flexible. Sobre el papel, una maravilla.

Un marqués argentino en Barcelona

Esto no es nuevo, y la historia pasa por aquí. El concepto moderno lo planteó un ingeniero, abogado e inventor nacido en Buenos Aires en 1890, Raúl Pateras Pescara, marqués de Pescara, que tenía la manía de meterse en todo lo que se moviera.

Antes del pistón libre, Pescara se metió en el helicóptero. Su patente de «helicóptero racional», la décima que registraba en Francia, la mandó desde España el 21 de febrero de 1920. Sus aparatos de rotores coaxiales contrarrotatorios fueron de los primeros en usar el paso cíclico, el truco que permite a un helicóptero inclinarse y avanzar, y en enero de 1924, en Issy-les-Moulineaux, junto a París, batió su propio récord del mundo al quedarse 8 minutos y 13 segundos en el aire. Ese mismo abril cubrió 736 metros en algo más de cuatro minutos.

Luego vino el coche. En 1929 montó en Barcelona, con su hermano Enrique, la Fábrica Nacional de Automóviles, un intento con dinero del Estado de crear una industria del automóvil española, con una inversión de 70 millones de pesetas. De ahí salió el Nacional Pescara, un ocho cilindros en línea de doble árbol, 3 litros y 125 CV. En 1931 la versión Sport ganó el Campeonato de Europa de montaña, y corrió en la Rabassada y en Montjuïc con pilotos como Enric Tort y Juan Zanelli. Los coches se vendieron entre 1930 y 1932 y la aventura se apagó antes de la guerra. El único Nacional Pescara que se conserva entero, un coche de carreras de 1929, lo compró la Generalitat en una subasta en Bruselas en octubre de 2024 por 585.348 euros, y acabará en el Museo de la Ciencia y de la Técnica de Cataluña, en Terrassa.

Pescara, Huber y la primera oleada

Y entre helicópteros y coches, Pescara registró sus patentes de motor de pistón libre de encendido por chispa y por compresión en 1927 y 1928. Montó su propio gabinete técnico, el Bureau Technique Pescara, y fichó al suizo Robert Huber como director técnico. Huber estuvo al frente desde 1924 hasta 1962, supervisó cerca de treinta tamaños y tipos distintos de motor de pistón libre y se ganó el apodo de «Mr. Free Piston».

La primera aplicación que triunfó no fue mover nada, sino comprimir aire. Los primeros free-piston eran compresores: el AC-2, de gasolina, y el AC-3, de gasóleo. Funcionaban de maravilla porque el problema que los mataría más tarde aquí no existía: a un compresor le da igual que el pistón no siga un patrón perfecto, solo quieres que apriete aire.

Casi todos los de primera generación eran de pistón opuesto: dos pistones enfrentados en el mismo cilindro, unidos mecánicamente para que se movieran de forma simétrica. Esa simetría cancelaba las vibraciones. El resultado era un aparato compacto y suave. En 1938 y 1939 se construyó el primer generador de pistón libre del mundo, dos máquinas G-30 moviendo un alternador de 800 kW, y después la francesa SIGMA fabricó en serie el GS-34, un generador de gas de 1.138 CV para alimentar turbinas.

El día que General Motors lo metió en un coche

En mayo de 1956, justo cuando inauguraba su nuevo centro técnico en Warren, Michigan, General Motors presentó el XP-500. Por fuera parecía primo del Firebird de turbina, hasta el punto de que la gente los confunde todavía. Por dentro escondía algo distinto: un free-piston.

El corazón era una unidad Hyprex 4-4, lo que en la jerga llaman un «gasificador»: dos cilindros y cuatro pistones, diseñada bajo contrato por el propio Robert Huber y construida por los técnicos de GM en Detroit. El esquema era ingenioso. El gasificador iba delante, con los pistones golpeando a unos 2.400 ciclos por minuto y generando gases a alta presión, y esos gases movían una turbina montada atrás que era la que de verdad impulsaba el coche. El pistón no movía las ruedas: alimentaba una turbina.

Las cifras eran de ciencia ficción para la época. Unos 250 CV de potencia en gas. Un Chevrolet Corvette de ese mismo 1956, con el V8 265 y dos carburadores de cuatro cuerpos, se anunciaba con 225 o 240 CV. Y el XP-500 tragaba casi cualquier cosa: gasolina, queroseno, gasóleo, fuelóleo, crudo, aceite vegetal. GM llegó a enseñarlo funcionando con aceite de ballena, solo para demostrar que podía. Sin cigüeñal, las vibraciones eran casi inexistentes. Y el rendimiento térmico se situaba en torno al 32-36%, a la altura de los diésel de la época y fuera del alcance de los motores de gasolina de calle.

GM se lo tomó tan en serio que hizo una versión gigante para el mar. En el buque Liberty William Patterson montó seis gasificadores de 1.250 CV moviendo turbinas, 6.000 caballos al eje, la primera propulsión naval de pistón libre con turbina de gas de Estados Unidos.

Por qué murió la primera vez

El XP-500 duró tres años. En 1959 GM lo dejó, y el coche, según Mac’s Motor City Garage, sigue en manos de la marca, aunque no en estado de exposición. Para automoción, la tecnología fue un callejón sin salida, y merece la pena entender por qué, porque es el corazón de todo.

Había pegas de las que no salen en los folletos. Sin cigüeñal no había de dónde colgar los accesorios, así que bomba de combustible, arranque y compañía necesitaban sistemas propios. Y arrancarlo pedía botellas de aire comprimido. Pero el problema gordo era otro.

El problema del free-piston es justo su mayor virtud puesta del revés. Al no tener cigüeñal, nada obliga al pistón a comportarse. En un motor normal, el cigüeñal y las bielas garantizan que el pistón llegue exactamente hasta arriba y exactamente hasta abajo, ciclo tras ciclo, pase lo que pase con la combustión. Es una atadura, sí, pero te da un control absoluto sobre dónde está el pistón en cada instante.

Quita esa atadura y el pistón hace lo que le da la combustión. Si una explosión es un poco más fuerte, el pistón llega más arriba. Si es más floja, se queda corto. La posición del pistón depende de cómo haya ido la combustión, y la combustión depende de dónde esté el pistón. Un pez que se muerde la cola. Controlar eso con muelles, levas y mecánica pura, que era lo único que había en los años cincuenta, era una pesadilla. Los primeros free-piston se abandonaron hacia los sesenta por esa falta de fiabilidad y por la imposibilidad de controlarlos con medios solo mecánicos. A la idea le faltaba un cerebro, y el cerebro tardaría medio siglo en llegar.

La resurrección: justo lo que el coche eléctrico necesita

Avanza hasta hoy. Ahora tienes sensores que miden la posición del pistón miles de veces por segundo, electrónica de potencia que puede empujar o frenar el pistón usando el propio generador lineal como motor, y algoritmos de control capaces de gestionar ese pez que se muerde la cola en tiempo real. De repente, el problema que mató al free-piston tiene solución.

Y hay algo más, algo que en los años cincuenta no existía: el coche eléctrico. El free-piston siempre fue malísimo moviendo ruedas directamente, porque para eso necesitas giro. Pero generando electricidad es brillante. Y un eléctrico de autonomía extendida quiere exactamente eso: una cajita compacta que queme combustible solo para recargar la batería cuando hace falta, sin mover nunca las ruedas. El motor térmico como simple generador. El nicho perfecto, hecho a medida.

El centro aeroespacial alemán, el DLR, presentó en febrero de 2013 su generador lineal de pistón libre como extensor de autonomía: muelles de gas que frenan y devuelven el pistón, compresión y carrera ajustables, y gasolina, gasóleo, gas natural, etanol o hidrógeno según convenga. Al año siguiente Toyota enseñó el suyo en el congreso de la SAE en Detroit. Su centro de investigación, Toyota Central R&D Labs, construyó un prototipo de 10 kW: dos tiempos, un pistón con forma de W, generador lineal con imanes de neodimio y una cámara de gas que hace de muelle para devolver el pistón y guarda parte de su energía en el viaje. Sacó un 42% de rendimiento térmico y funcionó más de cuatro horas seguidas sin problemas de refrigeración ni de engrase. Según Toyota, dos unidades, 20 kW en total, bastarían para que un eléctrico del segmento B o C mantuviera 120 km/h. Y la versión de hidrógeno como extensor de autonomía está hoy en plena investigación, con el problema de siempre, el control del movimiento del pistón, todavía sobre la mesa pero por fin atacable.

Cien años después de Pescara

El free-piston va en la misma estantería que la válvula rotativa y el rotativo de Adams-Farwell, pero no le pasó lo mismo. A la válvula rotativa la mató primero el material y luego un reglamento. El rotativo de Farwell murió porque su virtud y su defecto eran la misma masa girando. Al free-piston lo mató un control que en 1956 no se podía construir, y ese control hoy cabe en un chip.

Por eso, de las tres, es la que tiene más papeletas para volver: como una cajita zumbando dentro de un eléctrico, cargando la batería, quemando hidrógeno o lo que le eches, sin un solo cigüeñal a la vista. Mientras tanto, en Terrassa espera el Nacional Pescara de 1929, el coche del hombre que patentó el free-piston, con su ocho cilindros, su cigüeñal y sus bielas de toda la vida.

Comprueba que sigues vivo.

Fotos: esquema del generador Pescara, Daniel Bonnerue (CC BY-SA 2.0 FR). Generador del DLR, DLR (CC BY 3.0). Nacional Pescara en el mNACTEC, Enric (CC BY-SA 4.0). Vía Wikimedia Commons.