Aeronáutica y polímeros: rumbo a la eficiencia

En unas pocas décadas, los polímeros han permitido una notable reducción en la masa de los aviones y la correspondiente mejora en la eficiencia de los motores de reacción. Durante los últimos años, los fabricantes se han esforzado por hacer que su industria sea cada vez más limpia. Esto pasa por nuevos avances tecnológicos como las pilas de hidrógeno o el reciclaje de materiales compuestos y polímeros.

Reciclabilidad: un viraje sobre el ala para los materiales compuestos

El material compuesto de carbono/epoxi sigue siendo el comodín por excelencia de las industrias de alta tecnología que buscan reducir el peso. Se encuentra en el fuselaje y las alas de los aviones, en los barcos de carreras, los coches de Fórmula 1 e incluso las zapatillas de running de gama alta...

Por extraordinario que sea este compuesto, no está exento de defectos, especialmente desde el punto de vista medioambiental. De hecho, en la gran mayoría de los casos, las fibras de carbono están impregnadas de una resina termoendurecible. Generalmente se trata de epoxi, poliéster o viniléster. El proceso de polimerización de las resinas termoendurecibles es irreversible: una vez polimerizadas, no se pueden fundir para volver a moldearlas y su reciclaje es muy complicado. Esto es una desventaja en términos de economía circular...

Los fabricantes de aviones tratan de reemplazarlas por resinas termoplásticas como las poliamidas, el politereftalato de butileno o el PEEK, resinas que sí son reversibles. Una vez calentadas y fundidas, pueden ser moldeadas nuevamente y, lo más importante, se pueden reciclar. Además, no emiten compuestos volátiles durante la impregnación de las fibras, lo que facilita su manipulación.

Reemplazar las resinas termoendurecibles por resinas termoplásticas, más compatibles con la economía circular, para diseñar materiales compuestos a base de fibras es uno de los principales desafíos en este momento.

En cuanto a sus propiedades termomecánicas, a menudo son comparables a las de las resinas «termoendurecidas», especialmente en el caso del PEEK. Sería la solución perfecta, de no ser por su elevada viscosidad —1000 veces mayor que la de las resinas termoendurecibles a la temperatura de procesamiento—, que dificulta la impregnación de las fibras. En la industria de los materiales compuestos, este es uno de los temas del momento y los laboratorios están buscando soluciones para lograr un punto de fusión más bajo que reduzca la viscosidad y facilite la fabricación de las piezas, sin penalizar la temperatura de uso —o la termoestabilidad, como la llaman los científicos. Esto es especialmente importante para la industria de los polímeros, ya que la industria de los metales y, en particular, la de las aleaciones, también avanza rápidamente y está esperando su oportunidad para tomarse la revancha.

Materiales compuestos: el quid está en la cocción

Uno de los desafíos para los ingenieros dedicados a los materiales compuestos es encontrar una forma de solidificarlos que sea energéticamente más eficiente. Actualmente, las piezas se cuecen en autoclaves, una especie de olla de presión gigante. Este es un proceso largo y bastante caro, debido al alto coste de los equipos.

Los procesos de fabricación también están siendo cuestionados. Se busca simplificarlos y, sobre todo, hacerlos más económicos.

Numerosos centros de investigación están explorando procesos que no requieren autoclave y son más económicos y flexibles, como la infusión o la inyección de resina líquida directamente sobre una preforma fibrosa (una especie de esqueleto con refuerzos de fibra). La famosa olla de presión es reemplazada por un tanque de vacío y la resina es conducida a través de una simple tubería. El objetivo sería poder realizar todo el proceso a temperatura ambiente y producir piezas de igual calidad. Según algunos centros de investigación, la solución estaría al caer...

Polímeros a flor de piel

Para mejorar aún más los materiales compuestos, la Comunidad Europea (CE) ha lanzado y financiado el proyecto Hipócrates, dedicado al desarrollo de materiales autorreparables. Talmente como una fórmula mágica, se trata de materiales capaces de reparar por sí mismos, sin la intervención humana, las microfisuras o pequeñas roturas que sufren. Esto es especialmente importante en el mundo de la aviación, donde a diario las alas o el fuselaje de los aviones sufren microimpactos debido, por ejemplo, al granizo.

En un futuro muy cercano, los polímeros serán inteligentes. La investigación avanza rápidamente para diseñar materiales compuestos capaces de autorrepararse.

Estos no son motivos de preocupación, ya que los aviones están diseñados para soportarlos, pero a largo plazo aceleran un poco el desgaste de los materiales compuestos y requieren múltiples intervenciones humanas para repararlos o, al menos, mantenerlos en buen estado. El desarrollo de materiales compuestos estructurales a base de polímeros autorreparables es un verdadero desafío.  Para ser eficaces, estas reparaciones deben realizarse de manera rápida y, sobre todo, mantenerse estables.

Se han probado dos métodos de autorreparación diferentes. El primero consiste en agregar a los materiales compuestos unas microcápsulas que contienen agentes de autorreparación y un catalizador. En caso de microfisuras, las cápsulas se rompen y liberan el agente reparador, que entra en contacto con el catalizador. Esto desencadena una polimerización que encapsula la fisura y bloquea su desarrollo. El segundo método utiliza polímeros reversibles. Explicado de manera muy esquemática: la resina se enriquece con un nuevo elemento químico capaz de llenar una fisura después de ser estimulado por una señal externa (ya sea de calor, radiación o inducción eléctrica). Por el momento, no se sabe mucho más, ya que obviamente esta investigación se mantiene en secreto. Solo sabemos que se han probado con éxito dos nuevos materiales compuestos... El equipo de investigación espera ver aplicaciones concretas en los próximos 5 años —el tiempo necesario para las numerosas pruebas que todavía quedan por realizar.  

Europa ha financiado también la investigación de un revestimiento hidrófobo que permite a los parabrisas de los aviones prescindir de los limpiaparabrisas. Aunque esto pueda parecer trivial, hay que tener en cuenta que los limpiaparabrisas pesan varios kilogramos y aumentan la resistencia del avión. Si bien el consumo adicional que generan no es enorme, es con la suma de las pequeñas aportaciones que se producen los grandes cambios... Este revestimiento se presenta en forma de una capa compuesta por un gel de poliuretanos de silano sometido a hidrólisis.

Se aplica sobre el parabrisas, donde se seca y crea una capa dura que repele fácilmente el agua de lluvia hacia el exterior. Además, el revestimiento incluye una capa transparente conductora del calor. Aplicada sobre la superficie del vidrio, facilitará la eliminación del agua. Una vez más, es un asunto que habrá que seguir de cerca...

Eliminar los limpiaparabrisas permitiría ahorrar algunos kilogramos y mejorar la aerodinámica. Ahora se plantea reemplazarlos por un revestimiento polimérico hidrófobo aplicado sobre el parabrisas.

Las hélices recuperan el protagonismo

Mientras esperamos la llegada del soñado avión de gran tamaño totalmente eléctrico, por ahora tenemos que conformarnos con aviones más pequeños —principalmente biplazas— y, en su mayoría, en fase de pruebas... Dicho esto, todos tienen algo en común: una estructura ultraligera a base de materiales compuestos. Los proyectos son numerosos e involucran a todos los fabricantes, incluidos los más grandes como Airbus. Sin embargo, la llegada de un avión de transporte cuyo alcance sea al menos regional y que vuele en el más absoluto silencio no está a la vuelta de la esquina. Todos los fabricantes de aviones tratan de dar con una innovación que revolucione el sector de las baterías. Mientras tanto, los fabricantes de motores, como Safran, están innovando para mejorar los tradicionales motores de queroseno. El grupo presentó el Open Rotor, un nuevo tipo de motor mucho más grande que los reactores actuales y destinado a ser instalado en la parte trasera del fuselaje. Se eliminó el carenado del motor y se instalaron dos enormes hélices de 4 metros que giran en sentido contrario la una de la otra. En el mundo de la aviación, estas se denominan hélices contrarrotativas. Toda la arquitectura de los aviones deberá ser reconsiderada. Aunque un avión con hélices generalmente está asociado a un ruido ensordecedor, según Safran, el ruido del Open Rotor sería equivalente al del motor LEAP, gracias en particular al diseño de sus palas, fabricadas mediante inyección de resina en un refuerzo textil confeccionado en telares procedentes de la industria textil. En cuanto al material compuesto a base de fibras de carbono, es lo suficientemente flexible para eliminar todas las vibraciones propias de los motores de hélice. Gracias a esta tecnología, mucho más moderna de lo que parece, el consumo de combustible podría reducirse entre un 15 % y un 25 % adicional.

Con el Open Rotor, Safran reinventa y moderniza la hélice: se reduce todavía más el consumo de los motores sin repercutir en el rendimiento.

 Cuando, a principios del siglo XX, los primeros aviones propulsados por motores emprendían el vuelo, ¿quién iba a imaginar que 40 años más tarde llegarían a romper la barrera del sonido? La industria aeronáutica sabe reinventarse constantemente para satisfacer una demanda siempre creciente. En una época en la que los desafíos ecológicos predominan, es difícil predecir cómo serán los aviones dentro de treinta años. Lo que está claro es que deberán ser mucho más eficientes en el uso de recursos y en la reducción de emisiones de CO2. Lo mismo se aplica a los polímeros, que siempre han acompañado a la industria aeroespacial en su búsqueda de rendimiento y eficiencia.