Los materiales de los aviones del futuro se deciden en un laboratorio de Madrid

Por muy cotidiano que nos parezca hoy en día, volar sigue siendo una de las proezas técnicas de la historia de la humanidad. Un Boeing 747, uno de los aviones más famosos del mundo, puede llegar a pesar más de 300 toneladas cuando está listo para despegar. El mayor aparato destinado a pasajeros, el Airbus A380, llega a las 560. A pesar de que algunos modelos comerciales llevan décadas en el aire, los fabricantes no dejan de innovar buscando mayores garantías de seguridad y una reducción de costes asociada a los materiales: cuanto más robustos y a la vez ligeros, mucho mejor para ahorrar combustible o para ser más rápidos. Quizá lo que no imaginabas es que esas novedades se deciden en un laboratorio de Madrid.

La Universidad Carlos III de Madrid es la encargada de coordinar el proyecto Hitcomp (High Temperature Characterization and Modelling of Thermoplastic Composites), que está dentro del consorcio Clean Sky 2 de la Comisión Europea y con el que la industria aeronáutica pretende sustituir los actuales componentes por nuevos materiales más eficientes, más versátiles, más ecológicos y que permitan ahorrar costes. El secreto está en los llamados termoplásticos de alto rendimiento, basados sobre todo en poliariletercetona (PAEK), pero que aún se encuentran en fase de experimentación con la ayuda del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA-CSIC), la 'spin-off' Sensia Solutions y el laboratorio de fuego Fire Lab de Airbus. La planta de esta compañía en Getafe es la tercera mayor instalación aeroespacial de Europa.

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Los termoplásticos son materiales compuestos o 'composites' que "tienen unas características muy especiales, en este caso, para la industria aeronáutica, pero también para otras, porque son tan resistentes como el acero, pero pesan 10 o 20 veces menos", explica en declaraciones a Teknautas Fernando López, investigador principal y coordinador del proyecto Hitcomp del Departamento de Física de la UC3M. Estas características hacen que en estos momentos haya una "tendencia mundial a incrementar su utilización". En el caso de los aviones, la ventaja está clara: "Significa que ahorras muchísimo combustible".

Esto vale para los materiales compuestos, en general, pero en este proyecto los investigadores se centran en los termoplásticos, probablemente, los que tienen más futuro por diversos motivos, pero especialmente por cuestiones medioambientales. En primer lugar, porque son reciclables. En segundo lugar, porque "vamos hacia un tipo de avión más verde, probablemente más eléctrico, lo que también implica más fuentes de calor y eventualmente de fuego", y conseguir componentes con prestaciones similares al acero, pero de mucho menor peso, "es clave".

De hecho, ya se han realizado pruebas con modelos con más del 50% de materiales compuestos, pero tienen un talón de Aquiles. "Son muy resistentes desde el punto de vista mecánico, pero ante el fuego y las altas temperaturas no tiene la misma solidez que los aceros, ni mucho menos", destaca el experto. ¿Podrían mejorar? "Hay que estudiar estos materiales y ver en qué condiciones son suficientemente seguros en el interior de la aeronave, sobre todo ante un posible incendio", añade. Por eso, el principal objetivo del proyecto es analizar cómo se comportan estos nuevos componentes, los 'composites' termoplásticos que están llamados a viajar con nosotros en un futuro cercano.

En la UC3M, el equipo que lidera López ha desarrollado nuevas técnicas basadas en investigaciones previas. "Podemos medir cómo evolucionan las temperaturas cuando una de estas piezas está sometida a fuego y lo hacemos sin contacto directo, es decir, a distancia, a través de cámaras infrarrojas", explica. De hecho, estos científicos son especialistas a nivel internacional en la medición precisa de temperaturas del fuego en estas condiciones. El objetivo es analizar con el mayor detalle posible cómo se ven afectados los nuevos materiales en las condiciones más extremas.

Las pruebas virtuales

Además, han desarrollado un modelo térmico por ordenador que permite realizar ensayos virtuales que muestran el comportamiento real de las futuras piezas de avión. Normalmente, se realizan test que tienen un alto coste, tanto en tiempo como en dinero. En estas pruebas, aunque son diferentes en función del material que se está analizando, se queman las muestras a la vez que se someten a condiciones similares a las que tendrían en la aeronave con el objetivo de comprobar cuánto tiempo resisten. "Hemos conseguido virtualizar estos experimentos, así que, una vez que el modelo está bien caracterizado, no es necesario repetir las pruebas ante un nuevo material o una nueva situación", destaca.

Este avance es mucho más importante de lo que parece, porque la demanda de materiales es enorme y para los fabricantes, a la hora de innovar, "uno de los cuellos de botella es la autorización por parte de los organismos certificadores que deben dar el visto bueno". Realizar pruebas en vivo para ver la resistencia al fuego de los nuevos componentes es imprescindible, además de ser un proceso lento y carísimo, porque hay piezas que se fabrican una a una específicamente para estos ensayos. Al reproducir las propiedades de los nuevos materiales en el modelo informático, se ahorran centenares de ensayos. "Hemos conseguido reproducir fielmente su comportamiento ante el fuego y soportando carga mecánica", comenta. Aunque al final es obligatorio realizar al menos un ensayo real, "ya van a tiro fijo", mientras que hasta ahora "van a ciegas, porque puedes incluir demasiado material o quedarte corto y que no resista en la prueba".

Por eso, cuando aparece un nuevo material candidato a integrarse entre las piezas de un avión, se pone en marcha toda la maquinaria de este grupo de investigación. Su trabajo es muy útil para los ingenieros que realizan el diseño final, especialmente en cuanto a necesidades estructurales. "Analizamos todas las propiedades térmicas y mecánicas, por ejemplo, para comprobar si un elemento conduce más calor que otro", apunta López. Lo primero es caracterizar ese nuevo componente en las cámaras infrarrojas. "Puede tener otra densidad, otra constante dieléctrica o cualquier propiedad distinta de lo habitual, así que realizamos el test para medirlo y, cuando ya tenemos todas las características, lo llevamos al ordenador", comenta.

A partir de ahí, ¿cómo deciden si mejora lo que hay? El material analizado podría resultar un mejor aislante que los anteriores o permitir que, con un menor volumen (y, por lo tanto, añadiendo menos peso al aparato) se consiguiera la misma resistencia frente al fuego y a las altas temperaturas. Pequeños detalles en las propiedades y el comportamiento pueden ser decisivos y, dentro del proyecto, el objetivo es apostar por la mayor eficiencia en asociación con Airbus, que debe explotar posteriormente los resultados.

Para otras industrias y transportes

Aunque el interés comercial más inmediato está en los aviones de pasajeros, este proyecto europeo está abierto a toda la industria aeroespacial, que al menos en parte podría utilizar los mismos materiales. Hay una excepción, que es la entrada de una nave en la atmósfera terrestre, puesto que "requiere aleaciones especiales y ni siquiera cualquier metal resiste". Sin embargo, hay piezas interiores que no requieren el mismo nivel de resistencia y que "se podrían ir sustituyendo por estos nuevos materiales", porque al igual que en el caso de los aviones de pasajeros, "esto significa un menor peso, un menor gasto de combustible y llegar más lejos".

Del mismo modo, estos avances pueden llegar a los trenes e incluso a los automóviles, aunque ese sector queda fuera del ámbito de este proyecto. "A nivel popular decimos que todo lleva cada vez más plástico, pero en realidad, lo que están intentando introducir todos los ingenieros son 'composites'", destaca el experto. Cualquier pieza de estos transportes que esté comenzando a ser sustituida por termoplásticos, aunque sea a nivel experimental, se realiza con moldes y tarda en fabricarse minutos en lugar de días. "Lo fundes, lo dejas enfriar y obtienes la pieza entera", afirma. Esto supone una facilidad enorme para reemplazar piezas, con la ventaja adicional de que ahora estos nuevos materiales son reciclables.