Un estudio viabiliza el uso de nanotubos de carbono en estructuras aeroespaciales

Investigadores brasileños en colaboración con colegas de Estados Unidos incrementan la resistencia de este material para su utilización en satélites y naves espaciales

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Los satélites y las naves espaciales se encuentran en constante riesgo de ser alcanzados por proyectiles destructivos, tales como micrometeoritos y restos orbitales. Con el objetivo de minimizar los daños provocados por un eventual choque de partículas contra esas estructuras, los ingenieros buscan materiales alternativos a los metales y las aleaciones metálicas utilizados actualmente en la industria aeroespacial, que sean al mismo tiempo livianos, flexibles y resistentes a los impactos causados por proyectiles a alta velocidad.

En el marco de un estudio realizado por investigadores de la Rice University en Houston, Estados Unidos, en colaboración con colegas brasileños de la Universidad de Campinas (Unicamp) y las universidades federales de Rio Grande do Norte (UFRN) y del ABC (UFABC) se demostró que nanotubos de carbono –hojas de grafeno enrolladas de manera tal de formar una pieza cilíndrica que se asemeja a una pajilla de refrescos con un diámetro equivalente a la milmillonésima parte del metro– pueden constituir una solución para dotar de mayor resistencia a las estructuras aeroespaciales.

Este estudio, producto de las investigaciones de posdoctorado realizadas con Beca de la FAPESP y en el ámbito del Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Computacionales –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la Fundación–, salió publicado en la revista Applied Materials & Interfaces.

“Logramos analizar de qué manera los nanotubos de carbono se fracturan a escala nanométrica y desarrollar, con base en este análisis, un proceso que permite dotarlos de mayor resistencia aún para aplicaciones en estructuras aeroespaciales”, declaró Douglas Soares Galvão, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Unicamp y uno de los autores del estudio, a Agência FAPESP.

Los científicos estudiaron la rotura de nanotubos de carbono al experimentar un impacto a distintas velocidades.

Para ello utilizaron un cañón balístico hipersónico de la Nasa, la agencia espacial estadounidense, instalado en la Rice University, capaz de disparar pequeñas partículas a velocidades muy superiores a la del sonido.

“El cañón fue proyectado por la Nasa para estudiar los efectos a largo plazo del choque de micropartículas con los recolectores de energía solar y otras partes de la Estación Espacial Internacional”, explicó Galvão.

Con el fin de evaluar de qué manera se rompen los nanotubos de carbono durante un impacto a alta velocidad, los científicos moldearon bolas del material que dispararon contra un blanco de aluminio a través del cañón balístico hipersónico con tres velocidades distintas.

Los análisis de los resultados del impacto del material sobre la placa metálica, mediante microscopía electrónica, indicaron que a una velocidad considerada baja, de 3,9 kilómetros por segundo, una gran cantidad de nanotubos permanecieron intactos al chocarse unos contra otros.

Algunos resistieran a una velocidad de 5,2 kilómetros por segundo. Pero muy pocos nanotubos aparecieron en las muestras que se rompieron a una velocidad de 6,9 kilómetros por segundo.

Estructuras distintas

Al analizar la estructura de los nanotubos, los investigadores observaron que los impactos con alta energía y a gran velocidad desencadenaron enlaces atómicos en los nanotubos al romperse y que, en ocasiones, se recombinaron en estructuras distintas.

Muchos de ellos se dividieron en nanocintas luego del choque. Y otros exhibieron una abertura, como si hubiesen sido cortados “con un cuchillo” en forma longitudinal.

“Esperábamos que los nanotubos de carbono, durante el impacto a alta velocidad, más que abrirse se fracturasen. Y lo que observamos en nuestras simulaciones y en los ensayos es que, dependiendo de la condición del impacto, el material sufre una presión tan grande e instantánea que no da tiempo para que se fracture: el nanotubo se abre longitudinalmente”, explicó Galvão.

Los investigadores también observaron que, en ocasiones, la temperatura y la presión en el lugar donde los nanotubos de carbono sufren la fractura es tan alta que provoca la producción de nanodiamantes.

Y los pocos nanotubos y nanocintas que resistieron al impacto a las velocidades más altas se soldaron frecuentemente, tal como fue posible observar en imágenes del microscopio electrónico de transmisión.

“Con base en esta constatación, desarrollamos una técnica con la cual, al hacer pasar una corriente eléctrica muy alta y rápida por los nanotubos, éstos se funden localmente. De este modo, es posible obtener un material mucho más resistente desde el punto de vista mecánico, que puede tener aplicaciones en la industria aeroespacial”, señaló Galvão. “Lo que aprendimos con la rotura de los nanotubos de carbono lo estamos empleando ahora para reforzar este material”, sostuvo.

De acuerdo con el investigador, pese a que aún no se utilizan en estructuras aeroespaciales, los nanotubos de carbono han sido empleados en compuestos –una combinación de dos tipos de materiales– en las alas y otras partes de aviones de pasajeros.

Con todo, algunos de los factores que han limitado la aplicación de este material en la propia industria de la aviación son su alto costo y el escaso conocimiento sobre la interfaz de los compuestos a escala nanométrica.

“Un fabricante de aeronaves que pretendía utilizar compuestos elaborados con nanotubos de carbono en la estructura del avión con el objetivo de disminuir el peso y aumentar un poco la conductividad en la cabina, afrontó diversos problemas en la etapa de proyecto y tuvo grandes pérdidas. Aún hay mucho que aprender sobre la aplicación de nacompuestos en aeronaves”, afirmó Galvão.

Los videos de las simulaciones que realizaron los científicos referentes a las deformaciones de los nanotubos cuando se los dispara contra el blanco metálico, y de la interacción entre dos nanotubos durante el impacto, pueden verse en: youtu.be/aOYHWaD27xE y youtu.be/9H3DOmIzoCI.

Y los suscriptores de la revista Applied Materials & Interfaces pueden leer el artículo intitulado “Ballistic fracturing of carbon nanotubes” (doi: 10.1021/acsami.6b07547), de Galvão y otros, en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b07547.