Materiales para aviones inspirados en esqueletos de la eriza de mar

La construcción de un avión es una tarea que debe estar pensando en detalle. Sus materiales deben cumplir con los requisitos estrictos en términos de resistencia mecánica, rendimiento y reducción de peso, además de otras funciones, como el aislamiento acústico y térmico. Para cumplir con todos estos requisitos, las estructuras de materiales o los materiales compuestos generalmente se acomodan al mismo tiempo.

Hoy, hasta el 50% del volumen del plano moderno, como 787. Dreamline o Airbus A350 hecho de materiales compuestos, principalmente con hidrocarburos a carbón. Nos referimos al plástico tratado para darles una estructura rígida y permanente que no se suaviza durante el calentamiento, sino que se degrada.

Estos son materiales ultraligeros que proporcionan una excelente relación con la resistencia al peso, de acuerdo con los requisitos exigentes de la industria de la aeronave y permiten un consumo de combustible y una mayor eficiencia durante el verano.

¿Cómo reciclar materiales compuestos?

Estos avances tecnológicos traen un gran desafío: el reciclaje de estos materiales compuestos sigue siendo muy limitado. No se debe solo a su complejidad interna, porque es termostable, no puede derretirse debido a su procesamiento. También salen a jugar sus grandes dificultades para separar sus componentes y diferentes capas de material.

Actualmente, la Asociación Europea de Materiales Compuestos (EUCIA) estima que entre el 40 y el 70% de los desechos de estos materiales terminan en vertederos o quemados sin recuperación de energía. Su capacidad de reciclaje actual en la Unión Europea representa solo el 5% de los desechos complejos totales, incluidos termoestables y termoplásticos. El material termoplástico que cambia en temperaturas relativamente altas está definida o flexible, se derrite cuando se calienta y se solidifica en condiciones de vidrio en la actitud cuando se enfría lo suficiente.

De acuerdo con las mismas líneas, la Asociación Internacional de Tráfico Aéreo (IATA) estima que en la próxima década se eliminarán más de 11,000 aviones comerciales y de carga. Y cada uno generará las toneladas de desechos que, si no reciclan, también terminarán en los vertederos.

Soluciones basadas en un material

Dado este problema, es necesario volver a examinar el diseño de materiales de aeronaves y una prioridad no solo el rendimiento, sino también la reciclabilidad.

La estrategia prometedora es el desarrollo de materiales estructurales producidos por un material básico que cumpla con múltiples funciones, lo que simplifica la recuperación al final de su siglo útil.

En este contexto, Peek (Polyter-Eter-Edone) se presentó como una alternativa a un alto rendimiento, con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y químicas. Además, se recicla y procesa termoplástico.

Este enfoque incluye un cambio del paradigma, porque varios polímeros se usan tradicionalmente en la aviación y la mayoría es tormalmente. Aunque resistente, esto no se puede reciclar o procesar, lo cual es un desafío ambiental y económico. En cambio, Peek se puede derritir y procesarse varias veces.

El poder del diseño geométrico

Sin embargo, para que un material reemplace mezclas tradicionales complejas, debe poder responder a varios requisitos estructurales y funcionales, como resistencia mecánica, absorción acústica o aislamiento térmico. Es aquí donde el diseño microestructural se señala, se entiende como una configuración muy pequeña del material.

Como en estructuras grandes como rascacielos o puentes, donde establecemos vigas estrechas en posiciones clave para soportar cargas altas, podemos diseñar microestructuras que, a pesar de la pequeña, actúen de manera uniforme, casi como si fueran material homogéneo.

Requisitos de geometría de cómo comportarse, frente a los cargos, sonidos, etc. Podemos adaptarlo a múltiples requisitos, sin combinar diferentes capas de material. Esto simplifica la producción y, lo cual es importante, su reciclaje.

La naturaleza como fuente de inspiración

Un tipo de geometría muy interesante son las superficies periódicas mínimas tres veces (TPMS). Estas superficies matemáticas tienen una curvatura promedio de cero, lo que las hace prometiendo sus propiedades mecánicas (gracias a su geometría continua, no tienen nodos en los que sean esfuerzos concentrados, lo que sería un área de falla más fácil) y acústica.

La naturaleza ya está utilizando estas geometría, por ejemplo, en los esqueletos de la eriza del mar o ala de algunas mariposas.

Hay muchos TPM diferentes. Gracias a un extenso estudio y caracterización, hoy tenemos un catálogo extenso que le permite elegir la geometría más adecuada en línea con cargas mecánicas, peso y propiedades acústicas y térmicas.

Además, dado que estas geometría descrita en funciones matemáticas, es posible introducir densidad y forma de gradiente en toda la pieza para optimizar cada punto.

Innovación para una economía circular

En el Instituto de Materiales IMDE en Madrid, trabajamos en una combinación 3D de impresión con un nuevo proceso de espuma física utilizando el CoU, creando micropors dentro de la impresión. Nuestro objetivo es crear estructuras de vista en diferentes escalas que mejoren la persistencia y reduzcan el peso.

Con esta técnica, podemos superar ciertos requisitos que parecen contradictorios, obteniendo materiales que son resistentes, no están excediendo, y al mismo tiempo son ligeros.

Esta estrategia imita la naturaleza. Por ejemplo, elementos como los ciervos tempranos, muchos moluscos o nuestros dientes resistidos por los choques sin romperse, porque los microporos ralentizan la propagación de grietas y absorben mucha energía.

¿Y lo más importante? Cuando usa solo Peek y Co, al final del material útil del siglo, solo queda un polímero que facilita el reciclaje limpio y eficiente, sin contaminación.

Para avanzar en el avión hacia la economía circular, es crucial para el diseño de materiales que piensan en lo que haremos con ellos al final de su vida útil. Apuesto a las soluciones monomateriales como Peeps y aproveche el diseño geométrico abre la puerta a las estructuras ligeras, funcionales y de reciclaje. La sostenibilidad comienza brevemente desde el diseño mismo.