“Lo que en realidad estoy buscando”, le dices al vendedor, “es un coche que aguante al menos 10,000 millas entre repostajes, que se repare automáticamente, viaje a 500 mph (millas por hora), y pese solo unas pocas libras”.

Mientras el se queda con los ojos abiertos, tu agregas, “Oh sí, y solo puedo gastar cerca de un cuarto de lo que esos otros coches cuestan”.

Izquierda de arriba a abajo: Motores integrados, Almacenamiento de Hidrogeno, Aerocasco compuesto, Nanoelectrónica Digital (Computadores) Derecha de arriba a abajo: Sistemas Micro (Nano), Electroquímicos (MEMS o NEMS), Baterías de Litio y tanques de combustible, Elementos TPS ¿Una minivan de nueva generación? Los materiales avanzados serán esenciales para hacer posible naves espaciales radicalmente mejoradas. [más]

|
Un pedido como este seguro que te haría tomarte a risa el nuevo coche. Pero en distintas formas, este coche de ensueño es una metáfora para los vehículos espaciales que necesitaremos para expandir nuestra exploración del sistema solar en las próximas décadas. Esas nuevas naves espaciales necesitaran ser más rápidas, livianas, baratas, más confiables, más durables, y más versátiles, todo al mismo tiempo.

¿Imposible?. Antes de que responda, considere como debió haber reaccionado un ranchero de hace 200 años si un hombre le hubiera pedido comprar un caballo que pudiera correr a 100 mph durante horas y más, llevar su familia completa y todas sus maletas, y cantarle sus canciones favoritas ¡todo al mismo tiempo! Hoy las podemos llamar minivan.

La revolución de la tecnología -- como la Revolución Industrial que reemplazó los caballos con coches -- puede hacer que lo que parece imposible hoy sea común mañana.

Justo ahora está sucediendo tal revolución. Tres de las ciencias que más rápido crecen en nuestros días -- biotecnología, nanotecnología, y tecnología de la información -- están convergiendo para dar a los científicos un control sin precedente de la materia a escala molecular. Emergiendo de esta intelectual mina de oro hay una nueva clase de materiales con sorprendentes propiedades que encajarían mejor en casa en una novela de ciencia-ficción que en la mesa de trabajo de un laboratorio.

Este cohete lunar Saturno V totalmente cargado pesa 6.2 millones de libras (unas 3000 toneladas). Era pesado y costoso para lanzar. [más]

Imagine, por ejemplo, una sustancia con 100 veces la dureza del acero, y solo 1/6 de su peso; materiales que instantáneamente se reparan ellos mismos cuando son perforados; superficies que pueden “sentir” las fuerzas que los presionan; cables y electrónica tan pequeños como moléculas; materiales estructurales que también generan y almacenan electricidad; y líquidos que se pueden convertir instantáneamente en sólidos y otra vez de nuevo a líquidos. Todos esos materiales existen hoy en día… y hay más en camino.

Con estos alucinantes materiales a mano, construir la mejor nave espacial comienza a no verse en una fecha tan lejana después de todo.

Peso equivale a dinero

El reto de las naves espaciales de la próxima generación depende de unos pocos asuntos principales. Primero y más importante, por supuesto, el costo.

”Incluso si todos los obstáculos técnicos se solucionaran hoy, explorar nuestro sistema solar aún necesita ser costeable para ser práctico”, dice el Dr. Neville Marzwell, director de Revolutionary Aerospace Technology (Tecnología Aeroespacial Revolucionaria) para el Equipo de Planeación de la Próxima Década de NASA.

Disminuir el costo de un vuelo espacial significa principalmente reducir el peso. Cada libra recortada es una libra que no necesitará propulsión para escapar de la gravedad de la Tierra. Naves espaciales más livianas pueden tener más pequeños, más eficientes motores y menos combustible. Esto, a su vez, ahorra más peso, creando así una espiral benéfica de peso ahorrado y reducción de costos.

El reto es recortar peso mientras se incrementa la seguridad, confiabilidad, y funcionalidad. Solo eliminando piezas no se conseguirá.

La estructura de los átomos de carbono en un nanotubo de carbono es como un panel para colgar otras clases de átomos y moléculas para darle al nanotubo propiedades especiales químicas, eléctricas o térmicas. Derechos de Autor Prof. Vincent H. Crespi Departamento de Física Universidad Estatal de Pennsylvania. [más]

Los científicos están explorando una variedad de nuevas tecnologías que pueden ayudar a las naves espaciales a ser más delgadas. Por ejemplo, materiales delgados -- los cuales son capas ultra delgadas -- pueden ser usados para antenas o paneles fotovoltaicos en lugar de los componentes voluminosos usados hoy, o incluso para enormes velas solares que provean propulsión mientras su masa es solo de 4 a 6 gramos por metro cuadrado.

Materiales compuestos, como los usados en raquetas de tenis de fibra de carbono y palos de golf, ya han hecho mucho para ayudar a disminuir el peso en diseños aeroespaciales sin comprometer la fuerza. Pero una nueva forma de carbono llamada “nanotubo de carbono” promete una radical mejora sobre los compuestos: Los mejores compuestos tienen 3 o 4 veces la fuerza del acero por peso -- ¡para los nanotubos, son 600 veces!

”Esta fuerza fenomenal viene de la estructura molecular de los nanotubos”, explica Dennis Bushnell, el jefe de científicos en Langley Research Center (Centro de Investigación Langley LaRC), el Centro de Excelencia para Estructuras y Materiales de la NASA. Son similares a tela metálica enrollada dentro de un cilindro con átomos de carbono colocados en cada una de las esquinas del hexágono.

Los nanotubos son generalmente de 1.2 a 1.4 nanómetros de un lado a otro (un nanómetro es una billonésima de un metro), lo cual es cerca de 10 veces el radio de los mismos átomos de carbono.

Los nanotubos fueron descubiertos apenas en 1991, pero debido al intenso interés en la comunidad científica ha avanzado tremendamente nuestra habilidad para crear y usar nanotubos. Solo hace 2 o 3 años, los nanotubos más largos que se habían fabricado eran de cerca de 1000 nanómetros de largo (1 micra). Hoy, los científicos son capaces de hacer crecer tubos con una longitud de 200 millones de nanómetros (20 cm). Bushnell advierte que hay al menos 56 laboratorios en todo el mundo trabajando para producir en masa estos pequeños tubos.

”Se están haciendo grandes adelantos, así que hacer materiales voluminosos usando nanotubos probablemente se hará realidad”, dice Bushnell. “Lo que no sabemos es cuanto de estas 600 veces la fuerza del acero se manifestará en un material voluminoso. Todavía, los nanotubos son nuestra mejor apuesta”.

Más allá de ser simplemente fuertes, los nanotubos serán probablemente importantes para otra parte del plan de pérdida de peso de la nave espacial: materiales que pueden servir para más de una función.

La fuerza extensible de los nanotubos de carbono excede en gran medida la de otros materiales altamente resistentes. Note que cada incremento en el eje vertical es una potencia de 10. [más]

”Estábamos acostumbrados a construir estructuras sin utilidad, peso muerto de contenedores para partes activas, tales como sensores, procesadores e instrumentos”, explica Marzwell. “Ahora no necesitamos eso. El contenedor puede ser una parte integral, parte activa del sistema”.

Imagine que el cuerpo de una nave espacial pudiera también almacenar energía, eliminando la necesitad de pesadas baterías. O que las superficies pudieran doblarse a sí mismas, haciéndolo a distancia con distintos actuadores mecánicos. O que los circuitos pudieran ser incrustados directamente dentro del cuerpo de la nave. Cuando los materiales puedan ser diseñados a escala molecular esas estructuras integrales se volverán posibles.

Las pieles de la nave

Los humanos pueden sentir incluso el más leve pinchazo en cualquier parte de su cuerpo. Es una sorprendente muestra de auto monitoreo -- posible debido a que la piel contiene millones de terminaciones nerviosas microscópicas al igual que nervios que llevan esas señales a su cerebro.

Asimismo, los materiales que forman los sistemas críticos en una nave espacial pueden ser incrustados con sensores de escala nanométrica que constantemente monitoricen las condiciones del material. Si alguna parte comienza a fallar -- es decir, se “siente mal” --esos sensores pueden alertar al computador central antes de que suceda una tragedia.

Este material piezo eléctrico, desarrollado en el Langley Research Center (LaRC) de la NASA puede “sentir” deformaciones como dobleces o presión de superficie, produciendo un pequeño voltaje en respuesta que puede actuar como una señal para un computador central. Imagen cortesía de la NASA Morphing Project en LaCR.

Los cables moleculares pueden llevar las señales de todos esos tejidos de sensores al computador central, evitando el volumen poco práctico de millones y millones de cables de cables de hoy. De nuevo, los nanotubos deben ser capaces de cumplir este papel. Adecuadamente, los nanotubos pueden actuar como cualquiera entre conductores o semi-conductores, dependiendo de cómo estén fabricados. Los científicos han fabricado cables moleculares de otras moléculas alargadas, algunas de las cuales incluso se auto ensamblan de forma natural en útiles configuraciones.

Tu piel también es capaz de curarse a sí misma. Créalo o no, algunos materiales avanzados pueden hacer lo mismo. Los materiales auto reparables hechos con largas cadenas de moléculas llamadas ionómeros reaccionan a un objeto penetrante, tal como una bala, cerrándose tras él. Las naves usarían estas pieles debido a que el espacio esta lleno de pequeños proyectiles -- rápidos fragmentos de residuos de cometas y asteroides. Uno de esos objetos del tamaño de un grano de arena al de un guijarro podría perforar el escudo de la nave, una capa de material auto reparable mantendría la cabina hermética.

Los meteroides no son el único peligro; el espacio esta lleno de radiación también. Las naves espaciales en órbitas bajas de la Tierra están considerablemente protegidas por el campo magnético de nuestro planeta, el cual forma una burbuja segura de alrededor de 50,000 km de ancho desde el centro de la Tierra. Más allá de esta distancia, sin embargo, las llamaradas solares y los rayos cósmicos son una amenaza para los viajeros espaciales.

Una llamarada solar envía una onda expansiva de radiación energética al espacio.[más]

Los científicos están todavía buscando una buena solución. El truco está en proveer de una adecuada protección sin agregar mucho de peso extra a la nave. Algunos materiales ligeros de protección contra la radiación están actualmente siendo probados en un experimento llamado MISSE dentro de la Estación Espacial Internacional. Pero eso solo no será suficiente.

El verdadero problema es la Radiación Cósmico Galáctica (RCG) producida en explosiones de supernovas distantes. Consiste, en parte, en iones pesados cargados positivamente -- tales como núcleos de hierro -- viajando a una gran velocidad. La combinación de gran masa y gran velocidad hacen a esas pequeñas “bolas de cañón” atómicas muy destructivas. Cuando perforan a través de las células el cuerpo humano, pueden romper el ADN, conduciendo a enfermedades e incluso cáncer.

”Esto supone que los peores materiales que usted puede usar para protegerse contra la RCG son los metales”, anota Bushnell. Cuando un rayo de radiación cósmico galáctica golpea un átomo metálico, puede destrozar el núcleo del átomo -- un proceso semejante a la fisión que ocurre en plantas de energía nuclear. La radiación secundaria producida por esas colisiones puede ser peor que la RCG de la cual el metal está protegiendo.

Irónicamente, los elementos livianos como el hidrógeno y el helio son las mejores defensas contra estas bestiales RCG, porque las colisiones con ellos producen radiación secundaria pequeña. Algunas personas han sugerido rodear los dormitorios de la nave con un tanque de hidrógeno líquido. De acuerdo con Bushnell, una capa de 50 a 100 cm de grosor de hidrógeno líquido proveería protección adecuada. Pero el tanque y el sistema criogénico serían complejos y pesados.

Cuando rayos cósmicos de gran energía se estrellan con el ADN del astronauta, pueden causar daños conduciendo a cánceres u otra enfermedad inducida por la radiación. Imágenes cortesía de la Oficina de Investigaciones Biológicas y Físicas de la NASA.

Aquí de nuevo, los nanotubos deben ser útiles. Una estructura de nanotubos de carbono puede almacenar hidrogeno a altas densidades, sin la necesidad de frío extremo. Así que si nuestra nave del futuro ya usa nanotubos como un material estructural ultra liviano, ¿podrían esos tubos también ser cargados con hidrogeno para servir como escudo contra la radiación? Los científicos están observando esta posibilidad.

Yendo un paso más allá, las capas de este material estructural pueden ser atadas con átomos de otros elementos que son buenos para filtrar otras formas de radiación: boro y litio para manejar neutrones, y aluminio para absorber electrones, por ejemplo.

Acampando en el cosmos

La superficie de la Tierra está en su mayoría a salvo de la radiación cósmica, pero otros planetas no son tan afortunados. Marte, por ejemplo, no tiene un fuerte campo magnético global para desviar las partículas de radiación, y su capa atmosférica es 140 veces más delgada que la de la Tierra. Esas dos diferencias hacen la dosis de radiación en la superficie Marciana sea cercana a un tercio la del espacio abierto sin protección. Los futuros exploradores de Marte necesitarán escudos de radiación.

”No podemos llevar con nosotros la mayoría de los materiales para una fuerte protección debido a su peso. Así que una cosa en la que estamos trabajando es en cómo construir materiales de escudo contra la radiación de elementos que encontremos allá”, dice Sheila Thibeault, una científica de LaRC especializada en protección contra la radiación.

Los astronautas que instalen un campamento en Marte necesitarán protección de la radiación espacial. Créditos de Imagen: Frassantino and Associates, Inc.

Una posible solución es “Enladrillar Marte”. Explica Thibeault: “Los astronautas pueden producir ladrillos resistentes a la radiación con los materiales disponibles en Marte, y usarlos para construir refugios”. Podrían, por ejemplo, combinar la tierra de Marte similar al regolito* con un polímero hecho allá de dióxido de carbono y agua, ambos abundantes en el planeta rojo. Desintegrando esta mezcla con microondas crean ladrillos similares a plástico que son el doble de buenos como protección para la radiación

”Usando microondas, podemos construir esos ladrillos rápidamente usando muy poca energía o equipo”, explica. “Y el polímero que usaríamos agregaría al escudo de radiación propiedades del regolito”.

Los refugios de Marte necesitarán la confiabilidad de materiales auto sensibles, la durabilidad de materiales auto reparables, y el ahorro de peso de los materiales multifuncionales. En otras palabras, una casa en Marte y una buena nave espacial necesitan muchas de las mismas cosas. Todas están siendo consideradas por los científicos, dice Thibeault.

Para la gente allá en casa

Estos alucinantes materiales avanzados también estarán a mano en la Tierra.

Hechos de materiales inteligentes, los aviones del mañana podrían tener alas auto plegables que funcionarán sin alerones, reduciendo así la aerodinámica y disminuyendo los costos de combustible.[más]

”La investigación de NASA está sin duda enfocada a los vehículos aeroespaciales”, comenta Anna McGowan, directora de la NASA Morphing Project (un esfuerzo de investigación de materiales avanzados en el Centro de Investigación). “Sin embargo, la base científica podría ser usada en muchas otras áreas. Podría haber millones de consecuencias”.

Pero no todavía. La mayoría de los materiales avanzados carecen del refinamiento en la ingeniería necesario para un trabajo robusto y elegante. No están listos para el estreno. Incluso así, dicen los investigadores, es solo una cuestión de tiempo: Finalmente el vendedor de autos dejará de reír… y comenzará a vender tu maquina de ensueño de la era espacial.

N. del T:*Regolito: Conjunto de materiales producto directo de la meteorización de un sustrato. Se trata de un conjunto de materiales relativamente homogéneo, formado por los fragmentos de la roca original, y de minerales neoformados durante el proceso (arcillas, carbonatos).