Adiós al ruido del tráfico: el invento inspirado en el vuelo de los búhos para que los coches sean mucho más silenciosos

El principal responsable de la polución en las ciudades son los coches con motores de combustión, que emiten gases contaminantes y partículas finas responsables de alrededor de 10.000 muertes al año en España, según datos del Ministerio de Sanidad. Pero hay otro tipo de impacto ambiental, totalmente invisible, que también afecta a la salud y a la calidad de vida de los ciudadanos: la contaminación acústica.

El principal causante del ruido lo provoca el tráfico, que representa el 85% de las emisiones acústicas urbanas y puede alcanzar hasta 85 decibelios, un volumen que supone un grave riesgo de pérdida auditiva si se prolonga a lo largo del día. Para combatir este problema, un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo material que imita la estructura de las alas de los búhos para lograr una reducción del ruido sin precedentes.

En un artículo científico publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, los ingenieros de la Universidad de Tiangong (China), describen el proceso de fabricación y las ventajas de este aerogel a base de nanofibras con estructura acoplada inspirada en el búho (OSNAs, por sus siglas en inglés).

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La clave de su diseño es la combinación de dos capas distintas que trabajan en conjunto para absorber un amplio espectro de frecuencias de sonido. Lo hace de una forma muy parecida a las plumas y la piel de los búhos, que les permiten volar en completo silencio para no alertar a sus presas en sus sesiones nocturnas de caza.

Aunque los vehículos eléctricos están reduciendo la cantidad de ruido en las ciudades, este nuevo material puede ser clave para que disminuya aún más, "allanando el camino a materiales fonoabsorbentes de alto rendimiento, ligeros y duraderos, que pueden aliviar considerablemente la contaminación acústica provocada por los equipos industriales y el tráfico", según un comunicado de prensa.

Un proceso complejo

Para comprender este nuevo material diseñado en laboratorio, es necesario explicar dos de sus componentes fundamentales: los aerogeles y las nanofibras. Un aerogel es un material sólido extremadamente poroso y ligero. Se fabrica eliminando el componente líquido de un gel y reemplazándolo por gas, lo que da como resultado una estructura con una densidad muy baja.

Las nanofibras, por su parte, son fibras con un diámetro miles de veces más pequeño que el de un cabello humano, que se entrelazan para formar una especie de malla muy densa.

Diagrama del estudio de los OSNAs Universidad de Tiangong Omicrono

En este caso, la estructura de los OSNAs se compone de una capa de nanofibras y otra con cavidades microscópicas. Es un diseño específicamente pensado para la absorción de sonido de banda ancha, eficaz contra un amplísimo rango de frecuencias.

La capa de nanofibras se encarga de disipar las ondas sonoras de alta frecuencia, mientras que la capa con cavidades internas está diseñada para atrapar y amortiguar las ondas de baja frecuencia, que son las más difíciles de eliminar y las que más habitualmente genera el motor de un coche, tanto diésel como gasolina.

Para fabricar este material, los científicos emplearon un método llamado congelación-reconstrucción por emulsión. El proceso comienza creando la primera capa, para la cual congelaron diminutas gotas de un compuesto llamado hexano dentro de una base de material blando.

Una vez congeladas, las gotas de hexano se retiran, dejando tras de sí una estructura porosa muy similar a un panal de abejas. Esta capa, con sus múltiples cavidades microscópicas, está diseñada para ser la principal barrera contra los ruidos de baja frecuencia.

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A continuación, se añade una segunda capa directamente sobre la primera, pero con una composición diferente. En lugar de utilizar gotas de hexano para crear los poros, esta capa superior se construye con una red de nanofibras de silicio, lo que le da un aspecto fibroso y esponjoso.

El resultado final es un aerogel de doble capa, excepcionalmente ligero y poroso, que emula la forma en que funcionan las alas de los búhos. La capa inferior con sus cavidades se asemeja a la piel del ave para anular los sonidos graves, mientras que la capa superior, inspirada en las plumas, se encarga de amortiguar los sonidos más agudos.

Pruebas y rendimiento

El rendimiento de este material en la absorción de ruido es notable, especialmente cuando se compara con otros materiales aislantes. Una métrica clave es el coeficiente de absorción, que indica la cantidad de sonido que un material puede absorber. A una frecuencia de 500 Hz, un tono grave característico del ruido de los motores, los OSNAs alcanzan un coeficiente de absorción de 0,93.

Este valor es significativamente superior al de otros materiales como las espumas de poliamida o los aerogeles de celulosa, los materiales más habituales. Si además se le añade una cavidad de aire de un centímetro en su parte posterior, el coeficiente se dispara hasta 0,98, rozando la absorción total del sonido.

El vuelo de los búhos es de los más silenciosos de la naturaleza Wikimedia Commons Omicrono

Otro indicador importante es el Coeficiente de Reducción de Ruido (NRC, por sus siglas en inglés), que es un promedio de la capacidad de absorción en diferentes frecuencias. Los OSNAs obtienen un NRC de 0,58, y de 0,69 con la cavidad de aire posterior.

Eso se traduce en una capacidad de absorción del 58% de las ondas sonoras que pasan por él, lo que le permite reducir de 87,5 dB del ruido del motor de un automóvil a un nivel seguro de 78,6 dB.

Estos valores los sitúan en la élite de los materiales aislantes, superando a aerogeles fibrosos con gradiente de poros y a otros materiales cerámicos o esponjas fibrosas. Todo eso lo consigue con una densidad de volumen de solo 12,5 miligramos por centímetro cúbico, lo que lo hace extremadamente ligero, un factor crucial para su aplicación en vehículos, en los que cada gramo cuenta.

Además de su capacidad acústica, el material presenta propiedades que garantizan su durabilidad en condiciones reales. Los investigadores comprobaron su alta capacidad para repeler el agua, lo que significa que los OSNAs pueden resistir eficazmente la humedad ambiental sin degradarse, prolongando su vida útil.

La estabilidad mecánica también es importante. El equipo liderado por el ingeniero Dingding Zong sometió el material a 100 ciclos de compresión para simular el desgaste que podría sufrir. Tras las pruebas, los aerogeles mantuvieron su integridad estructural con una deformación de solo el 5%, lo que demuestra que son lo suficientemente robustos para ser instalados en componentes de vehículos sometidos a vibraciones y estrés mecánico frecuente.