Polímeros con memoria: la nueva piel inteligente para estructuras aeroespaciales

Polímeros con memoria: la nueva piel inteligente para estructuras aeroespaciales

¿Qué son los polímeros con memoria?

Los polímeros con memoria de forma (SMP) son un tipo de material macromolecular inteligente capaz de responder a estímulos externos cambiando sus propiedades macroscópicas para luego recuperar su forma original. Los Smp son polímeros capaces de recordar una forma inicial. Una vez moldeados, pueden deformarse al superar cierta temperatura (temperatura de transición vítrea, Tg) y enfriarse en esa nueva forma. Una vez se vuelven a calentar por encima de la Tg, pueden recuperar su geometría original.

Figura 1.

Estos polímeros, a diferencia de otros materiales con memoria de forma como las aleaciones (SMA), destacan por estas características: alta deformación elástica (deformaciones reversibles mayores de 200%), bajo coste, baja densidad, biocompatibilidad y biodegradabilidad.

Los estímulos que pueden provocar el efecto de memoria de forma son:

• Calor: primero, se calienta el polímero por encima de Tg volviéndose flexible, luego se moldea y adapta una forma temporal. Posteriormente se enfría por debajo de Tg, adoptando esa nueva forma y más tarde, al volver a calentar el polímero recupera su forma original. Es el más común y uno de los más usados debido a la facilidad de aplicar y controlar este método. 
• Interacciones con disolventes (agua, DMF, ...): el disolvente puede usarse como plastificante reduciéndose la Tg y provocando que el material se ablande. Este método tiene algunas limitaciones porque solo funcionan en polímeros con capacidad de absorción de agua y además es un proceso más lento que otros.
• Irradiación: puede ser tanto por una fuente de luz infrarroja o por luz ultravioleta. La primera, consiste en que la luz se transforme en calor y el polímero suba por encima de su Tg, ablandándose y recuperando su forma original. Tiene algunas ventajas como la rapidez de la respuesta, pero también limitaciones si el material no absorbe bien la radiación o no se usa una fuente de radiación adecuada. Respecto a la luz UV, hay polímeros que tienen grupos químicos sensibles a la luz UV. Cuando estos polímeros reciben la luz UV sus enlaces químicos cambian provocando que el polímero pase de estar rígido a ser más flexible. Una de las ventajas es que no se necesita calentar el material lo que permite que se utilice para polímeros muy delicados.
• Corrientes eléctricas: es también bastante común, algunos SMP contienen fibras de carbono o alguna partícula metálica que al aplicar un voltaje, el material se calienta internamente y, por tanto, haciendo que este se active. A este fenómeno se le conoce como efecto Joule. Sus principales ventajas son la rapidez del calentamiento y la precisión, ya que se puede medir exactamente cuanta corriente se quiere aplicar.
• Campos magnéticos: consiste en la introducción de nanopartículas magnéticas que generan calor al aplicarse en el polímero un campo magnético. Este campo magnético hace que las partículas del material vibren rápido aumentándose la temperatura del polímero por encima de Tg. Este método es útil cuando no se puede acceder fácilmente al polímero porque este esté encerrado dentro de una carcasa, como puede ser un cuerpo humano o un satélite, por ejemplo.

Aplicaciones de los SMPC

La mayoría de la investigación de las aplicaciones de SMP/SMPC se orienta al ámbito aeroespacial. Para ello hay que sortear las dificultades del entorno como el alto vacío, los efectos de ciclos de temperaturas extremadamente altas o bajas y la radiación ultravioleta (UV).

A continuación, hablaremos de una serie de componentes desplegables que forman parte de las naves aeroespaciales, así como de su desarrollo y estado actual, ya que las estructuras tradicionales poseen ciertas desventajas, como su peso, elevado costo y un fuerte efecto de choque al desplegarse. Los SMP/SMPC serían la solución al poder empaquetarse y desplegarse con mecánicas simples en condiciones externas variadas.

- Bisagras de SMPC:

Para evaluar la eficacia de las bisagras en el espacio nos fijamos en el efecto de choque y la precisión de recuperación, ya que los sistemas integrados complejos de la bisagra mecánica tradicional y su gran efecto de choque, dificultaban un despliegue exitoso. Por ello, la empresa estadounidense Composite Technology Development Inc. (CTD) propuso una bisagra con un compuesto elástico con memoria (EMC), para así reducir las piezas móviles y el efecto de choque.

El prototipo de bisagra EMC reemplaza el resorte de cinta por un material EMC que reduce el impacto durante el despliegue de estructuras espaciales. Sin embargo, se trata de un prototipo con mucho margen de mejora, como en la forma de las cintas EMC y los dispositivos de sujeción en los extremos.

Además de las bisagras EMC, Leng et al. ha desarrollado una bisagra SMPC reforzada con fibras de carbono:

Figura 2.

Se sometió a una flexión de 140º, observando una proporción de recuperación casi del 100%. Su velocidad de despliegue es más lenta en la etapa inicial y final que en la intermedia, reduciendo el choque en la estructura desplegable. 

- SMPC booms:

Los booms son estructuras largas, delgadas y ligeras que se despliegan de un satélite y son fundamentales para sostener cargas útiles en la punta de los satélites. Hasta ahora, la mayoría estaban construidos con metales, dificultando su manejo y elevando su peso. Hoy en día distinguimos entre dos tipos: booms tradicionales y SMPC booms. Estos últimos, además de poseer una estructura simple, se empaquetan y despliegan sin dispositivos mecánicos.  El longeron es su componente principal, proporcionando la fuerza de despliegue y soporta las cargas útiles en la punta del elemento desplegado.

·  Booms de celosía plegables SMPC: Leng et al. ha desarrollado una formada por 18 piezas de cintas laminadas, dispuestas en un angulo de 120º entre sí, con una sección cilíndrica uniforme. La viga se despliega gradualmente y se empaqueta en forma de “M”.

Figura 3.

·  Booms de celosía enrollables: es otro tipo de viga desplegable pero posee altos niveles de energía de deformación y relajación cuando está almacenado. Por ello, se desarrolló un compuesto reforzado con fibra para fabricar el larguero por el que está formada. Resultó en una reducción de su peso y energía de deformación almacenada.

·  Booms tubulares extensibles almacenables (STEM): las vigas SMPC STEM son otro tipo de viga que posee un menor peso, una mayor deformación de empaquetado y un módulo específico más elevado que la viga STEM tradicional.

Estructuras basadas en SMPC en componentes aeroespaciales

- Paneles solares y paneles desplegables: Estando en el espacio (después del despegue), el único tipo de energía que tenemos disponible es la solar. Por este motivo los paneles solares son imprescindibles en las estructuras aeroespaciales.

Hoy en día las estructuras en las que se diseñan los paneles solares han variado mucho: flexibles, semiflexibles, rígidas… El investigador Lan, sacó al mercado un nuevo tipo de paneles fotovoltaicos basados en carbono. Este diseño se hizo con vistas a estructuras aeroespaciales, ya que las estructuras basadas en carbono son extremadamente ligeras y baratas (dos de los principales objetivos en la industria aeroespacial). Este prototipo se probó en detalle en el lanzamiento de un satélite en China: el RoadRunner (el cual pesaba unos 250Kg). Se le acoplaron dos de estos paneles prototipo de carbono.

El gran avance de este tipo de paneles frente a los otros es su flexibilidad, memoria mecánica y capacidad de recuperación de la forma que tienen, algo que es fundamental cuando se lanzan al espacio y tienen un elevadísimo estrés mecánico que hace que la gran parte de paneles tradicionales se deformen y pierdan su funcionalidad. Estos paneles revolucionaron este aspecto, siendo capaces de tener una memoria mecánica hiper rápida (alrededor de unos 8Os). 

 

 Figura 4.

Además de las propiedades mecánicas que tengan los paneles, las cuales son clave para que sean interesantes para acoplarlas a estructuras aeroespaciales, hay que tener en cuenta lo fácil y cómodas que sean de desplegar una vez la estructura se encuentre en el espacio.

Una misión especial cuyo objetivo era testear en un ambiente realista el funcionamiento de estos dispositivos: Opperationally Responsive Space (ORS). En esta misión se consiguieron datos sobre cómo se comportan estos paneles en el despliegue estando en órbita, con el objetivo de ir incorporándolos en pequeños satélites.

 

Figura 5.

- Antenas reflectoras SMPC: Las antenas son una parte clave de los satélites y los cuerpos lanzados al espacio, ya que suponen la única conexión entre el espacio y la tierra.

Hay dos grandes apartados a satisfacer en el diseño de las antenas: la gran apertura del reflector y la precisión de reflexión de las ondas para que las comunicaciones sean satisfactorias. Estos dos apartados no se pueden satisfacer simultáneamente, por lo que hay que encontrar un equilibrio entre ellos para mantener un peso y un volumen aceptables.

Los SMPC proponen una solución ideal a este problema, ya que permiten la creación de estructuras empaquetadas, con un volumen muy reducido y que se despliegan por si solas una vez en el espacio. Como hemos visto anteriormente el uso de los SMPC nos permite estructuras ultraligeras y con un mecanismo de deformación almacenada.

Como un ejemplo práctico, volvemos al investigador Lang, el cuál diseñó una antena con superficies de mallas delgadas de SMPC, usadas en procesos industriales de fabricación de satélites por empresas chinas y estadounidenses punteras en la carrera espacial como Harris y CTD.

 

Figura 6.