Construir un avión es una tarea que debe pensarse al detalle. Sus materiales deben cumplir exigencias estrictas en cuanto a resistencia mecánica, rendimiento y reducción de peso, además de otras funciones como aislamiento acústico y térmico. Para satisfacer simultáneamente todos esos requerimientos, se ha tendido a la mezcla de materiales, como las estructuras en sándwich o los materiales compuestos.
Hoy en día, hasta el 50 % del volumen de un avión moderno como el 787 Dreamliner o el Airbus A350 está fabricado con materiales compuestos, principalmente polímeros termoestables reforzados con fibra de carbono. Nos referimos a plásticos que son tratados para darles una estructura rígida y permanente que no se ablanda al calentarse, sino que se degrada.
Se trata de materiales ultraligeros que aportan una relación peso-resistencia excelente, cumpliendo con las exigentes demandas de la industria aeronáutica y permitiendo reducir el consumo de combustible y aumentando la eficiencia durante el vuelo.
¿Cómo reciclar los materiales compuestos?
Estos avances tecnológicos traen un gran desafío: el reciclaje de estos materiales compuestos es aún muy limitado. No es solo por su complejidad intrínseca, ya que, al ser termoestables, no pueden fundirse para su reprocesado. También entra en juego la enorme dificultad de separar sus componentes y distintas capas de materiales.
Actualmente, la Asociación Europea de la Industria de Materiales Compuestos (EuCIA, por sus siglas en inglés) estima que entre el 40-70 % de los residuos de estos materiales termina en vertederos o se incinera sin recuperación de energía. Su capacidad actual de reciclaje en la Unión Europea representa apenas el 5 % del total de residuos compuestos generados, incluidos tanto termoestables como termoplásticos. Un termoplástico es un material que, a temperaturas relativamente altas, se vuelve deformable o flexible, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente.
En la misma línea, la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA) calcula que, en la próxima década, se retirarán más de 11 000 aviones comerciales y de carga. Y cada uno generará toneladas de residuos que, si no se reciclan, también acabarán en vertederos.
Soluciones basadas en un único material
Ante esta problemática, es necesario repensar el diseño de materiales para la aviación y priorizar no solo el rendimiento, sino también la reciclabilidad.
Una estrategia prometedora es el desarrollo de materiales estructurales fabricados con un único material base que cumpla múltiples funciones, lo que simplifica la recuperación al final de su vida útil.
En este contexto, el PEEK (polieter-éter-cetona) se presenta como una alternativa de altas prestaciones, con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y químicas. Además, es un termoplástico reciclable y reprocesable.
Este enfoque supone un cambio de paradigma, ya que tradicionalmente en aviación se usan pocos polímeros y la mayoría son termoestables. Aunque resistentes, estos no se pueden reciclar ni reprocesar, lo que representa un desafío ambiental y económico. En cambio, el PEEK puede fundirse y reprocesarse varias veces.
El poder del diseño geométrico
Sin embargo, para que un único material pueda sustituir a las complejas mezclas tradicionales, debe ser capaz de responder a diversas exigencias estructurales y funcionales, como resistencia mecánica, absorción acústica o aislamiento térmico. Es aquí donde cobra protagonismo el diseño microestructural, entendido como la configuración a muy pequeña escala de un material.
Al igual que en grandes estructuras como rascacielos o puentes, donde colocamos vigas estrechas en posiciones clave para soportar grandes cargas, podemos diseñar microestructuras que, pese a ser diminutas, se comportan de manera uniforme, casi como si fueran un material homogéneo.
La geometría condiciona cómo se comporta, frente a cargas, al sonido, etc. Podemos adaptarla a múltiples requerimientos, sin tener que combinar distintas capas de materiales. Esto simplifica la fabricación y, de manera importante, su reciclaje.
La naturaleza como fuente de inspiración
Un tipo muy interesante de geometría son las superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS, en sus siglas en inglés). Estas superficies matemáticas presentan curvatura promedia de cero, lo que las hace prometedoras por sus propiedades mecánicas (gracias a su geometría continua no tienen nodos donde se concentren los esfuerzos, que sería una zona de más fácil fallo) y acústicas.
La naturaleza ya utiliza estas geometrías, por ejemplo, en los esqueletos de los erizos de mar o las alas de algunas mariposas.
Existen muchísimas TPMS diferentes. Gracias a un amplio trabajo de estudio y caracterización, hoy contamos con un catálogo extensivo que permite elegir la geometría más adecuada según las cargas mecánicas, requisitos de peso y propiedades acústicas y térmicas.
Además, dado que estas geometrías se describen mediante funciones matemáticas, es posible introducir gradientes de densidad y forma a lo largo de la pieza para optimizar cada punto.
Innovación para la economía circular
En el Instituto IMDEA Materiales de Madrid, estamos trabajando en la combinación de impresión 3D con un proceso novedoso de espumado físico usando CO₂, que crea microporos dentro de la pieza que está siendo impresa. Nuestro objetivo es crear estructuras de PEEK a distintas escalas que mejoran la tenacidad y reducen el peso.
Con esta técnica, podemos superar ciertos requisitos que parecen contradictorios, consiguiendo materiales que son resistentes –no se rompen– y, al mismo tiempo, son ligeros.
Esta estrategia imita la naturaleza. Por ejemplo, elementos como las astas de los ciervos, las conchas de muchos moluscos o nuestros dientes resisten impactos sin romperse, ya que los microporos frenan la propagación de las grietas y absorben mucha energía.
¿Y lo más importante? Al usar solo PEEK y CO₂, al final de la vida útil del material queda únicamente el polímero, lo que facilita un reciclaje limpio y efectivo, sin contaminación.
Para que la aviación avance hacia una economía circular, es clave diseñar materiales pensando en qué haremos con ellos al final de su vida útil. Apostar por soluciones monomaterial como el PEEK y aprovechar el diseño geométrico abre la puerta a estructuras ligeras, funcionales y reciclables. La sostenibilidad, en definitiva, empieza desde el propio diseño.
Lucía Doyle, Investigadora Postdoctoral MSCA en Materiales de Ingeniería Avanzada, IMDEA MATERIALES
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
Fuente: IMDEA Materiales
