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Nuevos materiales hercúleos
Las alas de los aviones o los rotores de helicópteros hechos de materiales que pueden cambiar su forma en respuesta a los controles eléctricos han sido durante mucho tiempo el sueño de los ingenieros aeronáuticos. Es una aplicación que mejoraría notablemente el rendimiento y la eficiencia del combustible de los aviones. Pero el material de cambio de forma adecuado para que esto suceda ha resultado difícil de alcanzar.
Ahora, los investigadores del MIT han descubierto un enfoque prometedor que aprovecha el mecanismo que eventualmente hará que la batería de su computadora portátil se descargue. fallar : la expansión y contracción de los materiales de los electrodos en la batería. Este es un caso clásico de tomar limones y hacer limonada, dice Yet-Ming Chiang , profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en el MIT que está trabajando en el proyecto. Los artículos que describen el trabajo aparecerán en próximas ediciones de Materiales funcionales avanzados y Letras electroquímicas y de estado sólido .
Gran parte de la investigación anterior sobre materiales que cambian de forma ha involucrado piezoeléctricas, materiales que cambian de forma en respuesta a la electricidad. Pero Chiang dice que hace mucho tiempo decidió que los piezoeléctricos no funcionarían para aplicaciones tan rigurosas como los rotores de helicópteros morphing.
Durante años, los investigadores en el campo relacionado de las baterías se han enfrentado al problema de que a medida que los iones se mueven de un electrodo a otro, a medida que la batería se carga, hacen que el material del electrodo se expanda y luego se contraiga de nuevo a medida que la batería se descarga. Esta característica puede hacer que la estructura interna de la batería se rompa con el tiempo; por lo que los investigadores han estado buscando materiales que no sufran el efecto. Pero cuando Chiang calculó cuánta energía mecánica podría involucrar esta expansión, tuvo un momento de euforia. Y experimentos posteriores demostraron que las baterías tienen la energía mecánica necesaria para mover una carga diez veces más lejos que los piezoeléctricos.
Sin embargo, el rendimiento de la batería tiene una compensación: la velocidad. Los piezoeléctricos pueden funcionar fácilmente a varios miles de ciclos por segundo, dice Chiang. Pero la expansión de la batería está limitada por el tiempo que se tarda en cargarla. Dependiendo de cuánto movimiento se requiera, esto podría llevar desde poco más de un minuto hasta una fracción considerable de una hora, según Steven Hall , profesor de aeronáutica y astronáutica del MIT involucrado en el proyecto. Los investigadores esperan mejorar esto disminuyendo el tiempo que lleva cargar una batería.
Chiang también está trabajando para diseñar baterías físicamente más fuertes que puedan aprovechar mejor la energía mecánica del electrodo.
Pero las baterías existentes disponibles comercialmente son lo suficientemente buenas para construir un modelo de demostración, que los investigadores esperan tener listo a principios del próximo año. Eventualmente, se colocarán una serie de baterías en la pala del rotor y se usarán para transformarla selectivamente.
Tal cambio de forma permitirá a los ingenieros evitar un compromiso que ha estado en el corazón del diseño de helicópteros. Los helicópteros están diseñados para hacer dos cosas muy diferentes: flotar y navegar. Como resultado, no lo hacen particularmente bien. Poder cambiar la forma del rotor en vuelo podría optimizarlos para estas dos funciones. Chiang y Hall calculan que un helicóptero podría funcionar con aproximadamente un uno por ciento menos de combustible, un ahorro que podría aumentar considerablemente con el tiempo. Alternativamente, los helicópteros militares podrían transportar dos tropas adicionales o funcionar mejor en operaciones a gran altitud en las montañas.
Los rotores también pueden ser solo el comienzo. Chiang y Hall apuntan a aplicaciones en aviones, donde cambiar las formas de las alas en vuelo podría traer mejoras similares en rendimiento y eficiencia. También podrían ser útiles para rotar activamente las células solares para rastrear el sol, o para desplegar células solares y otros apéndices de los satélites una vez que llegan al espacio.