Autorreparación de alas de avión: ¿un sueño o una posibilidad? Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Inspirada en la asombrosa capacidad de la naturaleza para curar heridas, esta tecnología basada en la biología podría producir alas de aviones que se autorreparen.

Un avión repentinamente queda sin un ala; el techo de la cabina se desprende por completo y deja a los pasajeros expuestos al aire de baja presión; un avión se desintegra en pleno vuelo. Todos estos son desafortunados ejemplos reales de consecuencias catastróficas debido a fallas mecánicas en un avión.

Sin embargo, las causas inmediatas de esos hechos no son evidentes: no ha ocurrido un choque con otro avión, ni ha habido golpes con pájaros, ni siquiera turbulencia severa. Las fallas se originaron por diminutas grietas de fatiga dentro de la estructura del avión, invisibles a simple vista. Es probable que, con las inspecciones modernas y los nuevos requisitos de mantenimiento, este tipo de daño microscópico pueda detectarse antes de que se desaten consecuencias desastrosas.

En la actualidad, el arreglo de este tipo de daño puede consistir en una reparación rudimentaria con pegamento o tornillos sobre el área dañada. Pero los científicos de la Universidad de Bristol (Reino Unido), han desarrollado una manera novedosa de reparar daños a pequeña escala en las alas de los aviones. Esta nueva tecnología, que utiliza catálisis y polimerización, es un ejemplo de la importancia de la química en nuestra vida cotidiana.

Imagen cortesía de Teppo Kotirinta: origen de la imagen: Flickr

La desventaja de los modernos materiales compuestos

Para resistir las fuerzas aerodinámicas, un avión debe ser duro, fuerte, liviano y duradero. Los primeros aeroplanos, antes de que las aleaciones de aluminio y acero se volvieran comunes, se construían con tela y madera. En la actualidad, los compuestos reforzados de fibra de carbón son los materiales modernos más usados para las estructuras aeroespaciales, como los aviones, y para las turbinas eólicas. Estos compuestos son parecidos a materiales naturales como la madera, cuyas largas fibras celulosas se mantienen juntas gracias a la lignina. Pero en estos nuevos materiales el componente matriz homogéneo está reforzado con un componente de fibra de carbón más fuerte y duro. Esto resulta ideal para las alas de aviones y para las turbinas eólicas, que deben ser livianas y a la vez lo suficientemente fuertes para resistir presiones extremas u otros eventos perjudiciales, como los golpes de pájaros. Aunque estas características hacen que los compuestos sean más adecuados para construir aviones que las aleaciones de metales tradicionales, hay una desventaja: el daño a las estructuras compuestas es más difícil de detectar y reparar.

Para encontrar una solución a eso, los científicos de Bristol se han inspirado en la naturaleza. El profesor Duncan Wass y su equipo consideraron lo que ocurre cuando se sufre un corte en el dedo: la herida sangra, se forma una costra para proteger la región dañada, y finalmente se cura. ¿Podría usarse este método para reparar estructuras hechas por el hombre? Puede que el equipo de Bristol, que trabaja en colaboración con un equipo de ingenieros aeroespaciales liderados por el profesor Ian Bond, justo haya encontrado la manera de hacer exactamente eso.

Figura 1: Primer plano de la muestra de un compuesto que ha sufrido un impacto. Nótese que el daño (que es una abolladura de alrededor de 2 cm de diámetro) aparenta ser bastante leve.
Imagen cortesía de Duncan Wass

 

Figura 2: El lado inverso de la misma muestra. Aunque no es visible desde el lado del impacto, el daño es catastrófico.
Imagen cortesía de Duncan Wass

 

Cómo funciona la nueva tecnología

La clave del problema se encuentra en la producción inicial del compuesto, al que los investigadores le agregaron microcápsulas rellenas con un líquido. Estos contenedores sellados son tan pequeños que parecen polvo. En un ala de avión construida con estos materiales compuestos, el daño hace que las microcápsulas se rompan, por lo que el líquido se derrama en las grietas que se forman. Ocurre una reacción rápida, y los productos químicos se endurecen y llenan las grietas, sellándolas. El mecanismo de esta reacción puede encontrarse en dos áreas fundamentales de la química: la polimerización y catálisis.

El daño se sella por reacciones de polimerización en las que moléculas pequeñas, llamadas monómeros, se unen en una cadena larga, llamada polímero. Los monómeros liberados de las microcápsulas contienen grupos químicos reactivos llamados epóxidos (véase la figura 3). Estos grupos son estructuras en forma de anillo compuestas por tres átomos, que se pueden abrir con el catalizador adecuado. Cuando el anillo se abre, reacciona con otro, lo que abre el segundo anillo y los une. El segundo anillo reacciona con un tercero, y así ocurre sucesivamente hasta que se forma un polímero. Al controlar la estructura exacta de estos monómeros, los investigadores se aseguran de que las cadenas de polímeros pasen por un proceso llamado curado. Este proceso forma una red entrelazada que tiene propiedades muy parecidas a las del compuesto original no dañado. Este “curado” puede recuperar hasta el 100 % de la resistencia mecánica del material.

Al igual que con la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad del curado depende de la temperatura. Se puede pensar esta reacción en términos de formación y ruptura de enlaces. El calor brinda más energía, por lo que las moléculas se mueven más rápido y es más probable que choquen. Esto significa que se rompen más enlaces químicos en los reactantes, y se forman nuevos enlaces en los productos. Por eso, el tiempo que lleva reparar una grieta depende de la temperatura del material. Si el avión está en una pista de Barcelona (España) en el verano, el daño probablemente se repararía en un par de horas, pero si está en una pista de Reikiavik (Islandia) en el invierno, podría tardar entre 24 y 48 horas.

Sin embargo, incluso con el calor del verano, la reacción sería demasiado lenta si no fuera por el catalizador. Por eso los científicos han incorporado un catalizador a la matriz del compuesto original usado para construir el avión. Cuando los monómeros líquidos salen de la microcápsula, entran en contacto con el catalizador, lo que acelera la polimerización al proveer una ruta alternativa para la reacción química. Esto reduce la velocidad a la que los monómeros deben chocar para unirse. Además, el catalizador no se consume en la reacción, por lo que puede usarse una y otra vez.

Figura 3: El proceso químico de curación. A la izquierda se encuentra el agente de curado, y a la derecha está el polímero entrelazado que se forma cuando el agente de curado entra en contacto con el catalizador.
Imagen cortesía de Duncan Wass

Además de reparar el daño, es posible al mismo tiempo originar un cambio de color. Las microcápsulas pueden diseñarse para que al romperse dejen salir un color, para indicar el área que se debe reparar. En la práctica, sin embargo, una gran marca roja que muestra donde las alas del avión se han reparado podría causar pánico entre los pasajeros a bordo del avión.

Todavía deben realizarse más pruebas antes de que esta tecnología se pueda aplicar en los aviones, especialmente debido a las estrictas consideraciones de seguridad en este caso y porque los agentes de curado deben ser lo suficientemente estables para que perdure la vida útil de un avión. Sin embargo, hay muchos otros artículos de consumo que en la actualidad se hacen con materiales compuestos similares, desde los cuadros de bicicletas hasta los equipamientos deportivos, y la aplicación de la tecnología para la autorreparación pronto podría resultar común.

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Author(s)

Duncan Wass y Tim Harrison trabajan en la Escuela de Química de la Universidad de Bristol (Reino Unido). Duncan es un profesor interesado en catálisis y en nuevos materiales, y Tim es docente de ChemLabS y director de divulgación.


Review

Este artículo demuestra cómo los químicos y los especialistas en ciencias de materiales pueden imitar procesos naturales para brindar soluciones a problemas serios. Presenta conceptos (como la polimerización) de una manera práctica, para que los alumnos puedan comprenderlos más fácilmente. El artículo puede usarse como base para dialogar sobre distintos temas, como por ejemplo:

  1. El hecho de que los tecnólogos pueden aprender de los procesos naturales.
  2. La importancia de la química en la vida cotidiana.
  3. La necesidad de que la ingeniería y la ciencia se unan para brindar soluciones creativas.

Se pueden plantear las siguientes preguntas de comprensión:

  1. ¿Cómo los monómeros se convierten en polímeros?
  2. ¿Cómo intervienen los catalizadores en el proceso de polimerización?
  3. ¿De qué manera el proceso de reparación descripto en este artículo imita a los procesos biológicos naturales?

Marie Walsh, Irlanda




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