¿Cuál es el estado del arte en materiales aplicados para el espacio? Por ejemplo, ¿qué utilizaría para hacer un traje espacial de última generación? ¿O la nave espacial que lo llevara a un exoplaneta? Para nuestros propósitos, vamos a evitar lo que se avecina en el horizonte; nadie quiere leer sobre vaporware, o el tipo de artilugio mal aconsejado que parece brillante pero acaba matando a la gente. Aquí sólo vamos a cubrir cosas que están en uso activo, o al menos, están en fase de pruebas beta en el campo.
Hay algunas clases diferentes de desarrollo tecnológico. En general, las recetas que utilizamos para hacer nuevos materiales han coevolucionado con los métodos de fabricación, y las cosas que estamos tratando de hacer con nuestros materiales se han vuelto mucho más ambiciosas. Cada vez nos enfrentamos a mayores riesgos, y tenemos que alcanzar un nivel correspondiente de dominio sobre la composición y el rendimiento de los materiales que utilizamos.
También hay un par de tipos básicos de materiales. Los compuestos avanzados unen materiales separados en capas, mientras que las aleaciones funden o disuelven cosas para obtener un producto final homogéneo.
Considere la cerámica. La definición clásica de una cerámica es un material de óxido, nitruro o carburo que es extremadamente duro y quebradizo, es decir, que se rompe si se golpea con un choque físico lo suficientemente grande. Las cerámicas suelen ser fuertes a la compresión, pero débiles a la tensión y al cizallamiento. Pero cuando los materiales cerámicos se calientan hasta que son tan fibrosos como el azúcar hilado y luego se soplan a través de boquillas en forma de fibras, se pueden procesar en tejidos suaves y flexibles como la lana cerámica, el fieltro de sílice y la «flexirámica». Estos materiales simplemente no se queman, por lo que son útiles cuando se necesita un acolchado suave y absorbente que también sea ignífugo.
La cerámica de vidrio es un poco más familiar para la mayoría de nosotros, aunque con otro nombre: Gorilla Glass, que se ve comúnmente en los teléfonos inteligentes hoy en día. Es un vidrio de aluminosilicato que se forma dejando que el vidrio fundido se nuclee alrededor de partículas de dopante cerámico que sólo son solubles a altas temperaturas. Cuando se enfría, se obtiene entre un 50 y un 99% de cristalinidad, según Corning. El material resultante se parece muy poco a un vidrio, salvo por su transparencia. Cuando se templa, el equilibrio entre la tensión y la compresión hace que el material sea muy resistente. La vitrocerámica también funciona bien con los revestimientos conductores de electricidad, y los ingenieros utilizan esa característica en las ventanas de las naves espaciales para mantenerlas libres de condensación y hielo.
Química de materiales
Las ventanas de las naves espaciales son una gran aplicación de la ciencia de los materiales. Una forma de fabricar ventanas aptas para el espacio es la sílice fundida, que es dióxido de silicio fundido 100% puro. Otro material loco para las ventanas es el oxinitruro de aluminio, que en realidad es una cerámica transparente que usamos para hacer cosas a prueba de balas. En un vídeo producido por un fabricante de productos de oxinitruro de aluminio a prueba de balas (véase más abajo), 1,6 pulgadas de AlON fueron suficientes para detener completamente una bala de calibre 50 perforante. Tanto el AlON como la sílice fundida comienzan como un polvo fino llamado frita, que se apisona en un molde y luego se hornea a las temperaturas más sobrenaturales hasta formar una sola pieza de material transparente y superduro.
A menos que se trabaje con sustancias 100% puras, lo que en muchos casos no es posible, la idea del dopaje es fundamental en todo esto. Dopar significa añadir una pizca de algo especial a una receta que de otro modo sería mundana, para aprovechar los beneficios de la cosa especial sin tener que lidiar con los defectos que tiene cuando es pura. En muchos casos, lo que resulta del dopaje acaba pareciéndose muy poco a cualquiera de sus materiales madre.
La metalurgia se basa mucho en el dopaje, que en este caso se llama aleación. Hay algunas cosas bastante fantásticas que podemos hacer con los metales. Las aleaciones de aluminio-niobio tienen temperaturas de fusión lo suficientemente altas como para soportar el ambiente térmico dentro de las toberas del motor del Falcon 9. Pero es sólo porque también utilizan la refrigeración regenerativa: el propulsor circula por las cámaras de las paredes de la tobera, enfriando la campana y calentando el propulsor. (Es una bomba de calor.) Las aleaciones de oro y latón son útiles porque simplemente no se corroen, sin importar la temperatura o el extremo químico. Al igual que los aditivos antiapelmazantes del queso parmesano, existen incluso aleaciones metálicas que incluyen silicio, simplemente porque el silicio hace que el metal fundido fluya más fácilmente y, por tanto, es más adecuado para la fundición compleja.
La soldadura por fricción, que funde físicamente los dos materiales que se están soldando para que se conviertan en una sola entidad estructural, resuelve el problema de la unión de algunas de las piezas de aleación de aluminio de SpaceX.
Crédito de la imagen: Nature.
En la investigación de semiconductores vemos mucho la química de materiales novedosos, y últimamente el control del dopante se ha vuelto lo suficientemente fino como para introducir defectos puntuales de un solo átomo en una red de diamantes. Esta precisión de fabricación también es fundamental para las llamadas aleaciones de «alta entropía», que son mezclas híbridas de cuatro, cinco o más elementos diferentes que pueden aportar enormes ganancias de tenacidad, así como hacer que los objetos fabricados con ellas sean más finos, ligeros y duraderos. Un metalúrgico del MIT ha creado una aleación similar al acero de alta entropía que es extremadamente dura y muy dúctil, características que yo y todo el mundo pensábamos que se excluían mutuamente.
Por supuesto, la elección del dopante es importante. El tántalo y el tungsteno son metales duros, densos y resistentes a la radiación que se mezclaron con el titanio para hacer la «bóveda de radiación» de Juno. La bóveda protege los delicados circuitos de la carga útil científica, sacrificándose a la fragilidad para que los componentes electrónicos puedan vivir el mayor tiempo posible.
Los riesgos de la radiación pueden mitigarse con el blindaje – básicamente, poniendo átomos entre su carga útil y las partículas cargadas de alta energía que pueden voltear los bits, corroer los metales y cortocircuitar las conexiones. El plomo es la opción obvia en la Tierra, pero el plomo no sirve para los vuelos espaciales, porque es demasiado blando para soportar las vibraciones y demasiado pesado para ser práctico en cualquier caso. Por eso la bóveda antirradiación de Juno es mayoritariamente de titanio; es más resistente que el aluminio y más ligero que el acero.
En realidad es un problema importante, tratar de averiguar cómo mantener la electrónica en funcionamiento el mayor tiempo posible mientras está en el espacio. No se puede hacer una nave espacial sin un ordenador en ella. Y aunque sigamos haciendo los circuitos más pequeños y reduciendo sus necesidades de energía, en un momento dado se alcanzan unos umbrales físicos de tamaño y consumo de energía. Cerca de esos umbrales, es exquisitamente fácil perturbar un sistema. Los daños por radiación, los diferenciales térmicos, los cortocircuitos eléctricos y las vibraciones físicas suponen un peligro para los circuitos electrónicos. La espintrónica podría contribuir al avance de los ordenadores, proporcionando un ancho de banda informático mucho mayor para utilizarlo haciendo todo lo que se necesitaría hacer en un viaje interestelar. También podrían poner un límite máximo a los riesgos electromagnéticos que tanto perjudican a la electrónica en un campo magnético intenso, como el que rodea a Júpiter. Pero hasta que hagamos realidad los circuitos ópticos o la espintrónica, vamos a tener que averiguar cómo hacer que la vieja electrónica se comporte en el espacio, y eso probablemente implicará una vieja jaula de Faraday.
Compuestos
Los compuestos son difíciles de producir porque a menudo requieren instalaciones de fabricación extremadamente especializadas, enormes autoclaves y similares. Pero cuando son buenos, son muy, muy buenos.
El aislamiento multicapa (MLI) es aislante tanto térmica como eléctricamente, y la NASA lo utiliza prácticamente en todas partes. El MLI es lo que hace que las naves espaciales parezcan cubiertas de papel de oro. Pero hay un tipo de MLI para aplicaciones en las que todo el conjunto debe estar conectado a tierra eléctricamente, y que utiliza una malla metálica en lugar de la malla textil tipo tul entre sus capas de papel de aluminio.
SpaceX utiliza compuestos rígidos en la construcción de sus vehículos, superponiendo capas de fibra de carbono y panales metálicos para producir una estructura que es a la vez muy ligera y muy fuerte. Las espumas y los aerogeles también pueden hacer capas ligeras, rígidas y térmicamente impermeables.
Después de la recuperación, éste es el aspecto del carenado del Falcon 9. Obsérvese la envoltura de fibra de carbono que recubre el panal metálico.
Los materiales compuestos son excelentes contra los riesgos y tensiones físicas, pero los materiales rígidos no son el único camino a seguir. El módulo espacial inflable BEAM, que yo llamo cariñosamente un castillo hinchable en una lata, está hecho de materiales compuestos flexibles, incluido un tejido de vidrio único llamado tela beta. La NASA y otros organismos llevan utilizando la tela beta y cosas similares desde finales de los años 90, y por una buena razón: El material es simplemente imposible de desbaratar. Fabricado con fibras de vidrio recubiertas de PTFE en un tejido de cesta, es el hijo predilecto de la fibra de vidrio y el teflón. Es prácticamente imposible de cortar o incluso de rayar con las cuchillas más duras y afiladas. Al ser flexible, es resistente a los impactos. Es impermeable a la corrosión incluso por el ataque del oxígeno atmosférico libre. Los científicos le dispararon con láser y eso fue lo que finalmente hizo que empezara a degradarse.
Similar a la tela beta, también está la tela metálica flexible Chromel-R, que utilizamos en parches resistentes a la abrasión en las carrocerías de las naves espaciales y en los trajes espaciales. El Chromel-R es como las esteras de vidrio tejidas de la tela beta, pero hechas de hilos metálicos duros y recubiertos. Además, los científicos descubrieron que el «escudo Whipple relleno», que es una confección en capas de tela de fibra cerámica y Kevlar, funcionaba mejor que el revestimiento de aluminio para detener las bolitas de cerámica a hipervelocidad que simulan los desechos espaciales, fundiendo o desintegrando las bolitas (PDF).
Los trajes espaciales son en realidad la aplicación perfecta para los compuestos flexibles. Ningún material es resistente a todo. Pero si se juntan capas finas de varios materiales que son resistentes a la mayoría de las cosas, se obtiene un exotraje a prueba de todo que puede doblarse y flexionarse con el usuario. Añade una capa de Darlexx o similar, como los trajes espaciales de nueva generación de SpaceX, remátalo con una capa de tela flexirámica y tendrás un traje a presión a prueba de incendios. Pon una capa de amortiguación de fluido no newtoniano y algunas placas de trauma de aleación de cerámica, y ahora es una armadura corporal a prueba de fuego. Todo lo que necesitas entonces es un HUD en el casco, y tal vez algo de espuma con memoria de alta densidad en los cojines del asiento. Esto es algo que podríamos hacer con los productos disponibles en la actualidad.
Consulta nuestra serie ExtremeTech Explains para obtener más información sobre los temas tecnológicos más candentes de la actualidad.
Imagen superior: interior de la Dragon V2 de SpaceX