La investigación en materiales avanzados se ha convertido en uno de los grandes motores de cambio de la aviación moderna. El principal objetivo es reducir el consumo de combustible y las emisiones de los aviones, pero también se busca reducir la resistencia al aire y una mayor durabilidad.

En los últimos años, los avances van desde aleaciones de aluminio 5 veces más resistentes que las convencionales hasta nanomateriales tan ligeros como el poliestireno y con la resistencia del acero.

En este contexto, un nuevo compuesto desarrollado por la North Carolina State University supone un salto más: aplica la autorreparación a componentes de los aviones como las alas, con potenciales usos en los sectores automovilístico y aeroespacial.

Su objetivo es acabar con uno de los mayores talones de Aquiles de los materiales compuestos actuales: las grietas internas que se generan con el uso, reducen la resistencia y obligan a sustituir piezas mucho antes de lo deseable.

"Esto reduciría significativamente los costes y la mano de obra asociados con la sustitución de componentes compuestos dañados, y reduciría la cantidad de energía consumida y los residuos producidos por muchos sectores industriales, ya que tendrían menos piezas rotas que inspeccionar, reparar o desechar manualmente", afirma Jason Patrick, profesor de ingeniería civil en la NC State y uno de los autores del artículo publicado en PNAS.

Resistencia con peso ligero

El trabajo del equipo de Jason Patrick se centra en los llamados compuestos de polímero reforzado con fibra, o FRP, muy utilizados en las alas de los aviones, las palas de los aerogeneradores, las carrocerías de los coches y hasta las estructuras de satélites, cohetes y naves espaciales.

Estos materiales combinan capas de fibra de vidrio o fibra de carbono con una matriz polimérica, habitualmente una resina epoxi, lo que les permite ofrecer una gran resistencia con un peso muy reducido.

El problema aparece cuando se produce la delaminación (palabra que todo fan de Forjado a fuego habrá oído alguna vez): pequeñas grietas internas que separan las capas de fibra de la matriz y deterioran de forma progresiva la integridad estructural.

Esta vulnerabilidad acompaña a los FRP desde la década de 1930 y limita su vida útil a entre 15 y 40 años en aplicaciones tan exigentes como la aviación o la energía eólica.

El nuevo material desarrollado en NC State es, en apariencia, muy similar a un FRP convencional, pero añade dos elementos clave.

Por un lado, los investigadores imprimen en 3D un agente termoplástico de curado sobre el refuerzo de fibra, creando una fina capa intermedia que hace al laminado entre dos y cuatro veces más resistente a la delaminación desde el primer uso.

Por otro, también integran delgadas capas calefactoras basadas en carbono que se calientan al aplicar una corriente eléctrica, funden ese agente de curado y permiten que fluya hacia las grietas para volver a unir las interfaces dañadas.​

1.000 ciclos de autorreparación

El principio físico del material se basa en lo que los autores llaman “remendado térmico”: el agente termoplástico fundido vuelve a entrelazar sus cadenas poliméricas y restablece los enlaces en la zona dañada.

El resultado es una recuperación parcial de la resistencia a la fractura interlaminar, suficiente para que el componente siga funcionando sin necesidad de sustitución ni reparaciones complejas.

Para comprobar hasta dónde se podía llevar esta idea, el equipo construyó en laboratorio un sistema automatizado que sometía un prototipo de FRP a un ciclo continuo: aplicar carga hasta provocar una delaminación de 50 mm, activar el calentamiento para curar la grieta y medir de nuevo cuánto esfuerzo soportaba antes de volver a fracturarse.

Ese proceso se repitió 1.000 veces durante 40 días, siempre en la misma zona, alcanzando un récord de autorreparación en este tipo de materiales.

Los resultados muestran que el material comienza con una resistencia a la fractura muy superior a la de un compuesto sin modificar y mantiene una ventaja clara durante al menos 500 ciclos de curado.

A partir de ahí, la tenacidad interlaminar va disminuyendo de forma gradual, en parte porque las fibras de refuerzo se van fragmentando y generan microescombros que entorpecen ese "remendado térmico", y en parte por el envejecimiento de las reacciones químicas entre el agente de curado y la matriz epoxi.​

El aspecto más llamativo del estudio se encuentra en las estimaciones de vida útil cuando se traslada el comportamiento del laboratorio a escenarios reales. En la práctica, la activación del sistema autorreparable no sería continua, sino que se produciría tras episodios de daño concreto, como el impacto de granizo, golpes de aves o cargas extremas, o bien durante las operaciones programadas de mantenimiento.​

A partir de los datos de los ensayos y de un modelo estadístico, Patrick y su equipo concluyen que es posible mantener la capacidad de reparación a muy largo plazo, con un límite de curado por encima del 40 % de la resistencia original.

Con una estrategia de activación moderada, el material podría prolongar la vida de los compuestos estructurales por encima de los 125 años con un mantenimiento trimestral, o incluso hasta 500 años si el proceso se realiza sólo una vez al año.​

Ese salto temporal tiene implicaciones directas para las grandes infraestructuras tecnológicas. “Esto reduciría significativamente los costes y la mano de obra asociados a la sustitución de componentes compuestos dañados, y disminuiría la cantidad de energía consumida y de residuos generados por muchos sectores industriales, porque habría menos piezas rotas que inspeccionar, reparar o tirar manualmente”, sostiene Patrick.

Aplicaciones prácticas

Los investigadores señalan que este concepto tiene un valor evidente para las estructuras de aviones y aerogeneradores, donde los grandes componentes de fibra de carbono están sometidos a ciclos de carga muy exigentes y cualquier parada para reparación implica un coste elevado.

Sin embargo, el impacto podría ser aún mayor en el caso de satélites, naves y otros dispositivos aeroespaciales, que operan en entornos remotos o directamente inaccesibles para una intervención convencional, y podrían alargar sus operaciones en el espacio profundo o en planetas tan alejados como Marte.​

En aeronáutica, un compuesto autorreparable de este tipo permitiría diseñar alas, fuselajes o estabilizadores que mantengan su rendimiento estructural durante mucho más tiempo, reduciendo tanto el número de inspecciones físicas como la necesidad de reemplazar piezas a mitad de vida.

Combinado con otros materiales ligeros y ultraresistentes ya estudiados por la industria, este enfoque acercaría el objetivo de aviones más eficientes, con menos emisiones por pasajero y una huella de carbono total más baja a lo largo de su ciclo de vida.

En el sector de la energía eólica, la posibilidad de reparar delaminaciones de forma automatizada y sin desmontar las palas supondría un ahorro notable de costes y tiempos de inactividad.

Lo mejor es que no es una de esas investigaciones de incierto futuro que nunca acaban de dar el paso final hacia su producción industrial a escala. La tecnología ya está patentada y licenciada a través de la empresa Structeryx, fundada por Patrick y otros miembros de su equipo.