El láser que va a cambiar la producción de cohetes y aviones hipersónicos: acorta a segundos procesos que tardan horas

Cuando los astronautas regresan a casa tras pasar meses en la Estación Espacial Internacional, la cápsula cae a través de la atmósfera a una velocidad de más de 25.000 kilómetros/hora y la fricción produce en el casco de la nave temperaturas de 1.600 grados. Los materiales de carbono reforzado y compuestos cerámicos son la protección que evita la destrucción de la nave en este proceso.

Investigadores de la Universidad de Estatal de Carolina del Norte han diseñado un láser capaz de producir estas cerámicas de forma mucho más rápida, eficiente y sencilla que los métodos hasta ahora utilizados. Los viajes espaciales o la energía nuclear son algunas de las industrias que dependen de estos materiales ultraresistentes, por lo que cualquier avance en su fabricación supone un impulso para estos sectores.

Un proceso que suele tardar horas, ahora se completa en segundos. Desde los cohetes reutilizables de SpaceX, pasando por las instalaciones nucleares o aviones hipersónicos en las que numerosas compañías están trabajando para reemplazar al jubilado Concorde.

Simplificando la fabricación de cohetes

Este equipo de investigación se ha centrado para este trabajo en la cerámica de ultraalta temperatura llamada carburo de hafnio (HfC). Este material se utiliza particularmente en vehículos hipersónicos, tanto en los motores como en los recubrimientos de los propios cohetes.

La estabilidad térmica, altos puntos de fusión (>3000 °C), alta resistencia y resistencia a la oxidación y al choque térmico de estos materiales son cualidades clave para el sector aeroespacial. A pesar de estas cualidades, los investigadores destacan la complejidad que supone fabricar este componente.

El motor de Artemis. NASA Stennis Omicrono

"Lograr HfC de alta pureza con propiedades consistentes a gran escala sigue siendo un reto importante, debido principalmente al alto consumo energético de las técnicas de procesamiento tradicionales y a sus limitaciones para controlar eficazmente las propiedades del material", indican en el artículo científico publicado en la revista American Ceramic Society.

Por ello, proyectos de investigación como este se han propuesto el desarrollo de métodos más escalables, rentables y energéticamente eficientes. Para conseguir este material se realiza lo que se conoce como sinterización. Un "proceso mediante el cual las materias primas, ya sean polvos o líquidos, se convierten en un material cerámico ", afirma Cheryl Xu, coautora de un artículo sobre esta investigación y profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Uno de los métodos más utilizados es la síntesis mecanoquímica, donde los polvos de metal y carbono se someten a una molienda mecánica de alta energía, seguida de un recocido a alta temperatura en atmósferas controladas. Otra técnica predominante es la reducción carbotérmica de óxidos metálicos, en la que el óxido de hafnio (HfO₂) reacciona con una fuente de carbono a altas temperaturas para producir HfC.

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Si bien son eficaces, estas técnicas consumen mucha energía y a menudo producen productos con inconsistencias microestructurales. Pero, a diferencia de los métodos convencionales, que requieren etapas separadas de reticulación y pirólisis, el enfoque mediante láser propuesto en este trabajo integra ambos procesos en un solo paso, lo que reduce significativamente el tiempo y el consumo de energía del procedimiento.

Sintetización en segundos

El láser infrarrojo (IR) de CO2 utilizado en esta técnica permite un calentamiento localizado de hasta 2000 °C en segundos. Con esta herramienta se agiliza la conversión de un precursor de polímero líquido en HfC. El láser primero convierte el polímero líquido en un polímero sólido y luego este en cerámica. "Sin embargo, todo esto ocurre muy rápidamente; es esencialmente un proceso de un solo paso", aclara Xu.

Avión supersónico XB-1 en pleno vuelo. Boom Supersonic Omicrono

Parte de la flexibilidad de este proceso tiene como ventaja poder hacer reparaciones o recubrimientos más resistentes en menos tiempo para estructuras ya existentes. "Dado que el proceso de sinterización no requiere exponer toda la estructura al calor del horno, la nueva técnica es prometedora, ya que nos permite aplicar recubrimientos cerámicos de temperatura ultraalta a materiales que podrían dañarse durante la sinterización en un horno", afirma Xu.

Según los datos presentados por el equipo a raíz de las pruebas, este método produce una mayor tasa de conversión, es decir, convierte al menos el 50% de la masa del precursor en cerámica. Una tasa mayor en comparación con el 20-40% de los métodos convencionales.

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Otra ventaja sería la portabilidad del equipo, es decir, sigue siendo una tecnología extremadamente compleja que requiere de un entorno inerte, "pero transportar una cámara de vacío y un equipo de fabricación aditiva es mucho más fácil que transportar un horno potente y de gran tamaño" defienden sus autores.

Su uso en impresión 3D

La segunda forma en que los ingenieros pueden aprovechar la nueva técnica de sinterización es mediante la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D. En concreto, el método de sinterización láser puede combinarse con una técnica similar a la estereolitografía.

En esta técnica, se monta un láser sobre una mesa sumergida en un baño de precursor líquido. Para crear una estructura tridimensional, los investigadores crean un diseño digital de la estructura y luego la dividen en capas. Para comenzar, el láser dibuja el perfil de la primera capa de la estructura en el polímero, rellenándolo como si coloreara una imagen.

A medida que el láser rellena esta área, la energía térmica convierte el polímero líquido en cerámica. La mesa desciende un poco más en el baño de polímero y una cuchilla barre la superficie para nivelarla. El láser sinteriza la segunda capa de la estructura, y este proceso se repite hasta obtener un producto terminado de cerámica sinterizada.