Ciencia de los Materiales 101

#1# Septiembre 15 de 1999: Regresar al colegio para convertirte en un “generalista”, tras estudiar para ser un especialista. Como los astronautas son invitados a hacer un poco de todo en el trabajo, su entrenamiento abarca mucho más que cómo pilotar el Transbordador Espacial, o – para los nuevos candidatos – la Estación Espacial Internacional (ISS). Entre los muchos campos que los astronautas deben dominar, la ciencia de materiales en microgravedad es una de las principales misiones para la ISS. La investigación de materiales de ciencia a bordo de la Estación está patrocinada por el Microgravity Research Program (Programa de investigación en Microgravedad) del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA, en Huntsville, Alabama. Aproximadamente el 60% de los experimentos científicos planeados a bordo de la Estación Espacial están dedicados a las ciencias en microgravedad e investigaciones comerciales en el mismo campo. “Este tipo de entrenamiento es un reto ya que los astronautas arrastran los conocimientos previos de las matemáticas a la ciencia de materiales”, dijo la Dra. Sharon Cobb, la científica del proyecto para la Instalación para la Investigación en Ciencia de Materiales (Material Sciences Research Facility) aquí en NASA /Marshall. Cobb impartió una clase introductoria, que incluía prácticas en laboratorio, a la clase de los últimos candidatos a astronauta seleccionados en el Centro Espacial Johnson. “Dí una descripción - con algunos detalles esenciales – de qué es la ciencia de los materiales, y por qué queremos hacer esta investigación en microgravedad. Más tarde los astronautas tendrán un entrenamiento concreto en los distintos experimentos, a medida que las herramientas sean desarrolladas para el vuelo. Irónicamente, parte de la ciencia de materiales en microgravedad se originó con los primeros programas de estaciones espaciales. En los años 60, ingenieros de la NASA/Marshall y otros lugares se preguntaron qué sucedería en el espacio si intentaran soldar juntas grandes partes de una nave espacial. Otros necesitaban saber cómo se comportarían los propulsantes líquidos en una etapa de un cohete que estaba navegando entre encendidos de motor. De aquí vino la comprensión de que nadie comprendía totalmente qué ocurriría si los efectos de la gravedad fueran retirados de materiales que fueran licuados, mezclados y resolidificados. Los primeros experimentos en vuelo se realizaron a bordo de las últimas misiones Apolo. La disciplina creció y se convirtió en un aspecto prioritario de los experimentos Skylab en 1973-74, y se convirtió en pieza fundamental de las misiones del Transbordador Espacial y Spacelab durante los años 1983-98.

Imágenes animadas muestran el crecimiento de dendritas, estructuras arbóreas, cómo un líquido se congela en el espacio (a velocidad mucho mayor que normalmente). Mientras que los materiales son compuestos orgánicos transparentes -succinonitrilo (izq.) y ácido piválico (der.) – su comportamiento es una réplica de lo que sucede a una menor escala en el interior de metales opacos fundidos. Imágenes: Rensselaer Polytechnic Institute.

Cobb recordó a los candidatos a astronauta que los avances en la ciencia de los materiales a 1 g (gravedad en la Tierra), hacen posibles sus misiones, desde la nueva aleación litio-aluminio, que aligera el tanque exterior de la Lanzadera, permitiendo poner en órbita más carga útil, hasta el traje presurizado de nylon cubierto de uretano, que les mantendrá en una atmósfera segura durante sus paseos espaciales. “La fabricación es el 17 % (1,2 billones de dólares) del producto interior bruto”, explicaba Cobb. “Lo que significa que incluso modestos avances en materiales y su producción, pueden tener un gran impacto”. Por ejemplo, el “Mapa de Ruta de Tecnologia Industrial Metalcasting” (Metalcast Industry Tecnology Roadmap) de 1998 apunta “la carencia de conocimientos de las interacciones de las propiedades en la formación de microestructuras químicas [como una de las] mayores barreras en materiales. “Para hacer avances sustanciales”, continuaba Cobb, “el procesamiento de materiales debe evolucionar de ser un arte de prueba-error, a ser en el futuro una tecnología controlable, predecible”. El epítome del antiguo método es el perfeccionamiento (que no la invención) de la bombilla por Thomas Edison, buscando un filamento de larga vida con cualquier cosa, hasta que probó prácticamente todos los tipos de bambú, consiguiéndolo finalmente. Fue entonces cuando las propiedades de los materiales, especialmente bajo varias condiciones, fueron siendo conocidas por los científicos. Hoy los científicos trabajan por ser más analíticos en el proceso de materiales, pero a medida que sus conocimientos son mas refinados, se ven a menudo limitados por los efectos de la gravedad. Los científicos han alcanzado el punto donde las interacciones de un material con su envase, pueden alterar significativamente sofisticadas medidas de determinada propiedad, o enmascarar un fenómeno fundamental. Por ejemplo, la inevitable convección (los fluidos calientes y ligeros flotan, y los fríos y densos se hunden), altera la formación de una aleación de cristales electrónicos y causa defectos. La gravedad es un factor inalterable en las ecuaciones, puesto que siempre esta ahí... a menos que estemos en órbita. A menos que estemos en órbita. Continuarás cautivo de la gravedad de la tierra, que es lo que nos mantiene a nosotros y a la Luna en órbita, pero estarás continuamente cayendo, siendo el efecto indistinguible de “desconectar” la gravedad. Permanecen minúsculas aceleraciones, por eso los científicos hablan de microgravedad, no de gravedad 0. El resultado neto es que un nuevo campo de posibilidades se abre para la ciencia de los materiales. “La meta del procesado de materiales es desarrollar una mejor comprensión de las relaciones entre procesos, estructura y propiedades, pudiendo predecir fiablemente las condiciones requeridas en la Tierra para conseguir las propiedades deseadas de los materiales”, dijo Cobb.

Equipamiento del primer Compartimento de Investigacion en Ciencia de Materiales, (MSRR-1) Módulo de tempado NASA es un horno capaz de alcanzar 1400oC (el hierro funde a 1535oC), con un final frio para estabilizar un gradiente de temperatura controlado. Este accesorio permitirá el enfriamiento rápido de muestras de hasta 8 mm (1/3 de pulgada) de diametro. Este temple permitirá “congelar” la historia de la solidificacion de aleaciones complejas para su posterior estudio. El información obtenida será aplicada a métodos de fundicion en industria. Módulo de difusión NASA es un horno capaz de alcanzar los 1600oC, y permite mantener una temperatura constante a lo largo de 100 mm (4 pulgadas) de longitud. Tambien se pueden obtener gradientes controlados. El horno se usará para estudiar la velocidad y mecanismos por los que elementos eléctricamente activos pueden ser distribuidos (difundidos) en el seno de un elemento fundido, como un semiconductor. Estos datos son importantes para la industria electrónica y los valores reales no se pueden obtener en la tierra debido a la influencia de la conveccion originada por la gravedad. Horno de bajo gradiente de la ESA es un horno para el crecimiento de cristales capaz de alcanzar 1600oC. Las muestras pueden ser trasladadas en lentas y precisas variaciones en un entorno de temperatura controlada. Dispone de capacidades de campo magnético, tanto estático como rotativo, para influenciar en el flujo del líquido y mejorar las propiedades de productos cristalinos. Horno de solidificación por temple de la ESA es un horno diseñado principalmente para experimentos metalúrgicos capaz de alcanzar los 1600oC, e incluye posibilidad de templado. Aunque fueron inicialmente diseñados para ser usados por experimentos de la ESA, estos dos últimos módulos pueden estar disponibles también para los investigadores de la NASA. Módulo de investigación de Formación y engrosamiento de patrones avanzados de la NASA será un repuesto para un módulo experimental patrocinado por el programa espacial de desarrollo de productos de la NASA. Consiste en un dispositivo de baja temperatura con un baño controlado de precisión, para observar in situ la solidificación y crecimiento de modelos transparentes de materiales que simula el comportamiento de metales y aleaciones.

#2# Esto no significa fábricas en el espacio, sino laboratorios en el espacio que mejoren las fábricas en la Tierra. El descubrimiento de que algo sutil está ocurriendo en el seno de un material mientras se forma, puede permitir a los científicos e ingenieros deducir cómo manipular un fenómeno para fabricar mejores materiales. Esos descubrimientos llegarán de investigadores líderes en la tierra, pero usando ejemplos procesados previamente por astronautas en el espacio. La intención de Cobb era ayudar a los candidatos a entender la sutil y precisa naturaleza de los experimentos que pronto se les pediría realizar. Por ejemplo, los astronautas necesitan saber el rango de fases que tienen los materiales bajo diferentes condiciones. Mientras que estamos mas familiarizados con sólo tres estados – sólido, líquido y gaseoso, como hielo, agua y vapor – los científicos a veces tratan con múltiples estados intermedios. #3#Cobb lo compara a mezclar chocolate y vainilla. Lo que obtengas dependerá de cuánto mezcles y de la temperatura. Un diagrama de las diferentes fases muestra cómo puedes obtener chocolate caliente, extracto de vainilla, chocolate malteado, o incluso chocolate rizado. “De la misma forma, aleaciones metálicas o semiconductores pueden resultar productos totalmente diferentes si las condiciones de procesamiento varían tan solo un poco”, continúa,.“Realmente confiamos en que los astronautas realizarán con éxito los procedimientos en órbita para estos experimentos”.

Beneficios de la fabricación en Microgravedad A la derecha tenemos dos materiales diferentes que se espera se beneficien de la fabricación en condiciones de microgravedad. Los polímeros ópticos no lineales (las dos fotos superiores) forman fibras más uniformes cuando son fabricados en microgravedad (señalado µg) que a 1-g en la Tierra. Fibras de ZBLAN casi libres de defectos, un cristal metálico pesado fue producido en µg en lugar del producto policristalino que normalmente resulta en la Tierra. Los polímeros son unos candidatos para la computación óptica avanzada. El ZBLAN promete mucho mayor tráfico de datos que las fibras convencionales basadas en silicio. Ejemplos de otros beneficiarios son: Experimentos de Crecimiento Dendrítico Isotermal (IDGE) a bordo de tres misiones de Carga de Microgravedad de EE.UU, han permitido a los cientificos revisar sus modelos de cómo crecen los cristales metálicos basándose en fotografías y videos de cristales creciendo en modelos de materiales transparentes. Un horno de levitacion electromagnética llevado en dos misiones del Spacelab ha permitido a los científicos medir, al detalle, las propiedades físicas de varios metales sin contaminacion por el contacto con los aparatos del experimento, como habría sucedido en la Tierra. Experimentos espaciales en un tipo de material electrónico –semiconductores de aleación cadmio-zinc-telurio – condujo a una reducir en mas de 200 veces las imperfecciones y a un incremento potencial de los circuitos que pueden ser incluidos en un chip. La mejora en la comprensión de cómo las mezclas se agrupan y se disgregan, como las pequeñas partículas se agrupan en partículas mayores, puede ayudar en el desarrollo de palas de hélice mejoradas, entre otras aplicaciones. El flujo reducido de fluido en cristales simples de mercurio-cadmio-telurio podría revertir en mayores detectores de infrarrojos, con respuestas mejoradas.

Los experimentos se realizarán en varios compartimentos, cada uno de 1 m. de ancho (casi 40 pulgadas), que se instalaran a bordo de la Estación Espacial en los próximos años. Cobb es el contacto de la comunidad científica con el Materials Sciences Research Facility, que abarca tres Compartimentos de Investigación en Ciencia de Materiales. (La Estación Espacial también alberga instalaciones para investigación en fluidos, combustión, biotecnología y otras áreas). El MSSR-1 albergará un total de cinco hornos para experimentos de la NASA y la Agencia Espacial Europea. Candidatos para el MSSR-2 y 3 incluyen hornos que ocuparán la mitad del compartimiento. “Me preguntan a menudo por qué necesitamos tantos hornos diferentes”, dijo Cobb. “Bien, muchos de nosotros tenemos varios hornos en casa –un tostador, un microondas, un horno tradicional de conveccción, y cuatro fuegos encima del horno”. Del mismo modo, es casi imposible diseñar un horno satisfactorio para todos los experimentos, por lo que se diseñan varios hornos con capacidades especiales. Algunos son isotermales, lo que significa que el total de la muestra se calienta y enfría simultáneamente, otros usan gradiente de calor, en los que la zona caliente atraviesa la longitud de la muestra seguida de una zona de enfriamiento. Otros proporcionan un temple rápido, como sumergir una herradura en un cubo de agua, para detener la evolución de un fluido y poder examinarlo sobre el terreno.

El círculo azul muestra la localización del módulo de laboratorio de EE.UU cercano al centro de la masa de la Estación Espacial completa. Albergará mecanismos para experimentos montados en los Compartimentos de Carga Standard (International Standard Payload Racks (ISPR) ) como el que vemos a la derecha. Los compartimentos están diseñados para albergar virtualmente cualquier cosa en la EEI, incluyendo hornos y equipo de soporte para experimentos científicos con materiales. Enlace a la imagen superior en JPG de 900x600-píxel, 257K. Imagen: NASA

Cobb dió a los candidatos a astronauta una pequeña práctica en estas áreas con algunos experimentos básicos que identifican lo hecho en clase y en el espacio. En una demostración, los candidatos hicieron crecer cristales de succionitrilo, un compuesto que forma dendritas, cristales arbóreos, semejantes a lo que sucede en el interior de los metales. Ya algunos experimentos a bordo del Transbordador Espacial han impulsado a los científicos a reescribir algunas creencias básicas sobre lo que sucede en el momento mágico en el que un metal líquido se solidifica. Se esperan más avances a medida que se complete la Estación Espacial y se convierta en un laboratorio orbital de materiales.