Startup busca nacionalizar la producción de un material ultraligero tan resistente como el acero

Con el apoyo de la FAPESP, una empresa del estado de São Paulo trabaja en el desarrollo de una tecnología propia para fabricar en Brasil un revestimiento que permite producir tanques de almacenamiento de gases, como el hidrógeno, hasta un 70 % más ligeros, reduciendo el peso durante el transporte

Por Roseli Andrion  |  Agência FAPESP – Imagine un material capaz de dar origen a estructuras tan resistentes como el acero, pero mucho más ligeras. Ese material ya existe y se llama towpreg, es ampliamente demandado por las industrias del sector aeroespacial, automotriz, agrícola y de infraestructura en Brasil. Sin embargo, existe un problema: todo este material debe importarse, ya que ninguna empresa brasileña domina la tecnología necesaria para fabricarlo en el país.

Esa es la realidad que Forza Composites, una startup incubada en el Parque Tecnológico de São José dos Campos (estado de São Paulo), se propone cambiar con el apoyo de la FAPESP. La empresa está desarrollando los primeros prototipos de un towpreg de fabricación nacional para utilizarse en la producción de cilindros de almacenamiento de gases, como el hidrógeno y el biometano, hasta un 70 % más ligeros que las versiones tradicionales de acero. En la práctica, estiman los especialistas, esto permitiría reducir en un 20 % el peso total del transporte de los cilindros, aumentar en un 50 % la capacidad de carga por camión y disminuir el costo logístico por metro cúbico de gas hasta en un 45 %.

Los investigadores de la empresa ya han avanzado en la elaboración de prototipos y en las pruebas de resistencia, y actualmente se encaminan hacia la producción a escala semiindustrial. El proyecto cuenta con el apoyo del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (PIPE), de la FAPESP.

El towpreg es un revestimiento similar a una cinta aislante industrial, pero en forma de un hilo continuo enrollado como un ovillo de lana. Posee una adhesividad comparable a la de una cinta adhesiva, explica la química Michelle Leali Costa, coordinadora del proyecto, en referencia al tack, una propiedad técnica que describe la adherencia superficial del hilo. Esta característica facilita su enrollado alrededor de la estructura que se desea reforzar. Sin embargo, para conservar esa propiedad hasta el momento de su aplicación, el material requiere condiciones de manejo muy estrictas: debe mantenerse a -18 °C durante todo el almacenamiento y el transporte.

Como toda la cadena de suministro depende del exterior, el proceso implica riesgos importantes. Al llegar a Brasil, el producto debe pasar por la aduana y, si permanece retenido sin la refrigeración adecuada, el lote puede quedar completamente inutilizable. Además, un towpreg con una vida útil de un año que llegue al comprador después de tres meses de transporte y trámites aduaneros solo dispondrá de nueve meses de uso efectivo. “Dependiendo de la fecha de fabricación, puede llegar con apenas tres meses de vida útil antes de su vencimiento”, lamenta Costa.

Combinación de propiedades

El towpreg consiste, esencialmente, en un haz de filamentos de carbono o de vidrio impregnados con una resina polimérica, generalmente una resina epoxi de alta resistencia. Esta resina protege las fibras del entorno y actúa como un adhesivo estructural que solo se endurece al calentarse durante el proceso de curado. Antes de ello, el hilo conserva la adhesividad descrita por Costa: una característica útil para darle forma, pero que exige estrictas condiciones de conservación.

Una vez completado el proceso de curado, el material resultante permite fabricar estructuras ligeras y resistentes, especialmente de forma tubular, como los cilindros para el almacenamiento de gases. En el proyecto de la startup se utiliza una resina epoxi termoestable, que se endurece de manera permanente al exponerse al calor, transformándose en una estructura ligera y de extraordinaria resistencia.

Al combinarse con la resina, la fibra de carbono forma un material compuesto, cuyas propiedades superan las de cada uno de sus componentes por separado. “La fibra aporta resistencia a la tracción, mientras que la resina proporciona amortiguación y distribuye las tensiones”, explica Costa. En términos de resistencia mecánica, el material es comparable al acero, pero con una densidad mucho menor, lo que permite alcanzar el mismo desempeño estructural con solo una fracción del peso.

Los materiales compuestos de fibra de carbono y de fibra de vidrio están presentes en numerosos productos de uso cotidiano. Bicicletas de competición, cañas de pescar, raquetas de tenis y palos de golf: prácticamente todos los artículos descritos como fabricados con fibra de carbono utilizan, en realidad, este tipo de material compuesto. “La fibra por sí sola no se sostiene”, afirma Costa. “Necesita la matriz polimérica para convertirse en un producto”, añade la investigadora.

En la industria aeronáutica, por ejemplo, el towpreg ya se emplea en el fuselaje de aeronaves modernas mediante la técnica de colocación automatizada de fibras (Automated Fiber Placement, AFP). Por su parte, la técnica de enrollamiento de filamentos (filament winding), utilizada por la empresa para fabricar tanques, es fundamental en la producción de recipientes a presión y componentes aeroespaciales.

En la aviación comercial, el uso de estos materiales compuestos en aproximadamente el 50 % de la estructura del Boeing 787 Dreamliner permitió reducir en un 20 % el peso de la aeronave, mejorando su eficiencia energética y su resistencia a la corrosión. En los automóviles de Fórmula 1, donde alrededor del 90 % de la carrocería está fabricada con estos materiales, el compuesto ofrece además un mayor nivel de seguridad al absorber impactos y disipar la energía.

Más ligereza y resistencia

El primer segmento de mercado que los fundadores de Forza Composites identificaron para aplicar este producto fue el energético. Mientras desarrollaban álabes para bombas de vacío, que también eran importados, el equipo detectó una transformación en el sector energético impulsada por la creciente demanda de recipientes a presión destinados al almacenamiento de biometano e hidrógeno verde.

Estos tanques requieren los más altos estándares de seguridad, ya que el hidrógeno es una molécula pequeña y altamente volátil, por lo que cualquier falla en el cilindro podría tener consecuencias potencialmente catastróficas, como riesgo de explosiones o incendios. Tradicionalmente fabricados en metal —un material pesado y susceptible a la corrosión—, estos recipientes incrementan considerablemente los costos del transporte por carretera, que es el principal medio de transporte de carga en Brasil.

La solución puede ser el cilindro de tipo IV, como los que Forza comenzó a fabricar en Brasil. Este diseño combina un revestimiento interno de polímero de alto desempeño con un exterior recubierto por capas de towpreg. El resultado es un recipiente entre un 60 % y un 70 % más ligero e inmune a la corrosión, lo que lo hace ideal para ambientes salinos, como las plataformas del presal utilizadas en la explotación de petróleo en aguas profundas.

Costa estima que, con la producción nacional, el costo de este tipo de cilindros en Brasil podría reducirse hasta en un 40 %. “Sin una producción local, el producto importado resulta demasiado costoso para competir con los cilindros de acero, a pesar de todas sus ventajas técnicas”, concluye.

Un producto con gran potencial

El proyecto desarrollado por los investigadores de la startup con el apoyo del PIPE-FAPESP se centra en tres pilares: la formulación de una resina epoxi estable (que elimine la necesidad de mantener el material refrigerado durante al menos 90 días), la optimización de la impregnación de las fibras a escala de laboratorio y el desarrollo de un prototipo para su producción a escala piloto.

El desafío final será la certificación. En el caso de los recipientes para biometano, el Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología (Inmetro) sigue normas europeas, mientras que para el hidrógeno todavía no existe una certificación nacional, por lo que es necesario recurrir a estándares internacionales. “Un recipiente a presión no puede presentar fugas. El riesgo de explosión y de asfixia en espacios confinados exige el máximo rigor”, concluye Costa.

Aunque el proyecto aún se encuentra en la fase de producción preindustrial, ya ha despertado el interés de sectores estratégicos. La Marina de Brasil evalúa el uso de towpregs para aplicaciones submarinas, y empresas que desarrollan drones propulsados por hidrógeno han contactado a la startup en busca de contenedores ligeros y compactos.

En el Mercosur, también existen manifestaciones de interés por parte de empresas argentinas. Sin embargo, la startup mantiene como prioridad el mercado interno, donde la agilidad de la logística nacional representa una ventaja competitiva. Con un potencial de aplicación que abarca desde prótesis ortopédicas hasta tuberías para la construcción civil y componentes automotrices, esta tecnología desarrollada en Brasil promete impulsar diversos sectores que operan bajo condiciones críticas de presión y corrosión.