Los supermetales que necesita la alta velocidad se prueban en el espacio... y en Madrid

Aunque hace más de 7.000 años que el ser humano se dio cuenta de que se podía fundir y trabajar el metal, el homo sapiens aún no lo sabe todo sobre estos elementos y compuestos, y en la mesa siguen pendientes de investigar propiedades que pueden revolucionar industrias como la energética, la electrónica y la médica. También la del transporte aéreo y ferroviario lo necesita. Uno de los ejemplos más recientes y trágicos lo tenemos en España: en el accidente ferroviario de Adamuz, la investigación se centra justo en los materiales, en la degradación del acero del carril y el estado de la soldadura. ¿Y si pudiéramos conseguir nuevas aleaciones ultrarresistentes? La ciencia dice que es posible, pero hay un problema.

Para continuar estudiando metales, la Tierra se nos ha quedado pequeña. Hay propiedades que solo se pueden investigar en las condiciones que nos da el espacio, como los cambios de líquido a sólido de los materiales. Por ejemplo, hace años que en la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés) se llevan a cabo experimentos para avanzar en el desarrollo de nuevos aceros aeroespaciales.

Pero apostarlo todo exclusivamente a un lugar de tan difícil acceso y limitado sería poco ambicioso. Por eso, la ciencia busca cómo saltarse las reglas físicas para replicar en la Tierra las características que se dan a 400 kilómetros de altura. Y se está consiguiendo. Uno de los laboratorios que logra aproximarse está en Madrid, en el Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM, adscrito al CSIC), donde la física pionera Asunción García-Escorial lleva décadas investigando metales como el aluminio para conseguir ‘polvo de estrellas’.

“Estamos todavía en la Edad de los Metales, dependemos de ellos absolutamente para todo. Gracias a las técnicas actuales podemos conseguir estudiarlos casi a nivel atómico, pero aún hay cosas que no sabemos”, afirma en conversación con El Confidencial la científica, que defiende la investigación en un momento convulso: la nueva carrera espacial está en su punto álgido y Trump busca como loco metales estratégicos.

Convertir un laboratorio de Madrid en un centro espacial

El espacio es un laboratorio sin igual, con unas condiciones extremas de microgravedad, temperaturas y radiación que son un sueño para cualquier científico o científica que se precie. En concreto, para quienes estudian el comportamiento de los metales. Es el caso de García-Escorial, investigadora ‘Ad Honorem’ del CENIM-CSIC y especialista en solidificación de metales, que ha colaborado con la Agencia Espacial Europea en el desarrollo de experimentos en la Tierra que luego se amplían en la ISS.

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“Llevamos un equipo de levitación electromagnética a la ISS. Con él podemos hacer levitar una pequeña cantidad de metal y calentarlo por encima de su temperatura de fusión, lo mantenemos líquido y luego vamos enfriando de manera que la solidificación sucede extremadamente rápido, dando lugar a estructuras diferentes”, detalla la científica. Es un entorno único de suspensión gravitatoria donde se pueden estudiar como nunca antes las aleaciones metálicas y semiconductores.

Aunque no existe un laboratorio en la Tierra que logre replicar el escenario que ofrece el espacio, en España hay algunos atomizadores que consiguen aproximarse. El que posee el Laboratorio de Pulvimetalurgia del CENIM es singular por su tamaño intermedio, que permite sacarle más rendimiento al metal que se utiliza, y también porque admite gases como el argón y el helio.

Su atomizador es un dispositivo con un horno que puede calentar por encima de los 1800º C, donde se vierte metal líquido a través de una abertura por la que se inyecta gas a alta presión, como se muestra en el vídeo superior. Esto permite fundir un gran número de materiales metálicos y, cuando están en estado líquido después de superar su temperatura de fusión, “romperlos” en gotitas que se solidifican en vuelo, explica a El Confidencial Marcela Lieblich, investigadora y responsable de este servicio científico-técnico en el CENIM-CSIC. También se crea un microclima en el que se consiguen enfriamientos mucho más grandes, de 100.000º C por segundo, como en el espacio.

“Las gotitas reaccionan de forma similar a lo que sucedería en el laboratorio de la ISS”, detalla Lieblich. Este proceso sucede tan rápido que las gotas mantienen su forma y se obtiene un metal en forma de polvo, compuesto por partículas esféricas. Así se pueden estudiar aleaciones como aluminio, cobre, hierro o níquel. Su objetivo: conseguir materiales metálicos mejores, más sostenibles y que contaminen menos.

Ese polvo esférico metálico se puede utilizar en impresión 3D o recubrimientos. “Se podría estudiar cómo varían las propiedades magnéticas en una aleación de hierro o emplear las partículas en la técnica de fabricación aditiva que permite construir piezas a medida. Por ejemplo, piezas de magnesio, para implantes médicos temporales; de acero, de alta complejidad geométrica; o de aluminio, para elementos estructurales”, enumera la investigadora. Es decir, aplicaciones en sectores vitales, como en las infraestructuras de transporte, en crisis en España.

Mejores metales son una prioridad para el transporte

Desde el trágico accidente de Adamuz, la red ferroviaria no levanta cabeza. La hipótesis más extendida, incluso por el Ministerio de Transportes, es que se debió a la rotura de una soldadura aluminotérmica, basada en la reacción entre óxido de hierro y aluminio. Una unión muy resistente, capaz de soportar grandes cargas y altas velocidades… que, sin embargo, falló.

“Las soldaduras son un punto delicadísimo en cualquier estructura metálica porque se suelen hacer con la intervención de un metal líquido. Por ejemplo, la soldadura de aluminio es muy difícil”, señala García-Escorial. La experta nos pide que pensemos en las alas de los aviones: son de aluminio, pero no van soldadas, sino con remaches. “En el ala de un avión no te la puedes jugar, y aunque la soldadura de aluminio está muy conseguida, se sigue remachando porque lo principal es la seguridad”, incide.

Jugando con las estructuras de los metales se pueden confeccionar casi a medida distintas propiedades de las aleaciones metálicas

Por eso, seguir investigando en el comportamiento de los metales es crítico para el transporte, donde su uso está más cotizado. En concreto, “conseguir aleaciones de alta resistencia y a temperaturas elevadas es muy prioritario”, señala la experta.

Después del acero, las de aluminio son las más utilizadas, por ejemplo en fuselaje y motores para aviación, y en trenes de alta velocidad como el Shinkansen, el tren bala japonés, y el AVE. Es un material más ligero con el que se ahorra energía y se contamina menos, pero tiene letra pequeña: su bajo punto de fusión hace que sus aplicaciones estén limitadas. “Como material estructural solo se puede usar hasta 100º C, porque por encima de esto sus aleaciones ya empiezan a modificarse”, especifica la investigadora. Esto es peligroso cuando se aplica al transporte “porque tenemos que garantizar que sea estable a largo plazo y no se transforme ante subidas de temperatura, golpes y tratamientos mecánicos”.

Afortunadamente, la mayoría de las veces las soldaduras y otros procesos con metales funcionan bien, pero “hay que estudiarlo todo para mejorar y que haya menos accidentes”, sostiene García-Escorial, que también forma parte del Comité Europeo de Ciencias Espaciales (ESSC, por sus siglas en inglés). Hace unos meses publicaron un informe sobre los descubrimientos científicos de la ESA en el área de la exploración humana y robótica (incluyendo el levitador electromagnético), algo en lo que la experta considera crítico seguir investigando, especialmente ahora.

“China quiere llegar a la Luna y luego a Marte; Estados Unidos está echando esa carrera mientras la NASA está bajando sus presupuestos en investigación científica; pero la ciencia es un valor europeo. Queremos defenderla porque tenemos miedo de que se deje de hacer de forma pacífica y solo se ponga el foco en defensa”, subraya García-Escorial. De hecho, su investigación suma a un enfoque internacional, en el que la Universidad Alberta de Canadá, la Agencia Espacial Alemana y otros centros europeos también han replicado los experimentos de la ISS.

La ciencia espacial siempre deja avances científicos y tecnológicos (de los paneles solares a tu colchón viscoelástico) que repercuten de forma directa en la Tierra. En el caso de los metales, investigarlos tanto en el espacio como en los laboratorios terrestres procura hitos de conocimiento estratégicos para Europa. Si Trump está tan interesado en minerales y metales críticos como muestra su interés por Groenlandia, quizá deba aprender de la ciencia que se hace en España.