La Universidad de Extremadura lidera el proyecto europeo AM-ACTS, que acaba de comenzar con el objetivo de proponer un escudo térmico refrigerado en las aeronaves espaciales.

Los investigadores esperan desarrollar una prueba conceptual de este escudo, que puede enfriar activamente el vehículo haciendo circular un fluido a través de una red interna de microcanales bioinspirados, mediante fabricación aditiva (impresión 3D) a partir de cerámica de alta temperatura.

La Universidad de Extremadura, la empresa española IberEspacio, la University West de Suecia, la empresa sueca Questek y el centro de investigación CNRS-Promes de Francia son los socios de este proyecto que comienza este año y cuyos prometedores resultados se esperan en tres años. La investigación se enmarca en la convocatoria competitiva M-ERA.NET CALL 2021, en la línea de acción ‘Materials for additive manufacturing’.

El proceso de reentrada en la atmósfera dura apenas unos minutos, pero somete a los vehículos espaciales a unas condiciones extremas y a unas temperaturas muy elevadas, por encima de los 2.000ºC. Las aeronaves se protegen mediante escudos térmicos, en general fabricados a partir de material cerámico aislante, pero son de tipo pasivo, es decir, su acción se limita a evitar que la temperatura exterior afecte al fuselaje.

Sin embargo, esta protección pasiva presenta una serie de inconvenientes. El primero de ellos es que el escudo pasivo se daña mediante oxidación, lo que provoca la evaporación (ablación) del escudo, por lo que es de un solo uso, debiendo reemplazarse por completo tras cada reentrada. Otra desventaja ligada a la anterior es el coste ambiental de la renovación de los escudos, debido a la utilización de materias primas y el consiguiente aumento de consumo energético y de emisiones de gases de efecto invernadero en el proceso de fabricación.

La refrigeración activa ya se aplica en el sector aeronáutico para reducir la temperatura de los motores y las turbinas, pero la novedad de este proyecto es incorporar este sistema de refrigeración a los materiales cerámicos de muy alta temperatura.

La idea de los investigadores de la Universidad de Extremadura es desarrollar un escudo térmico refrigerado basado en soluciones bioinspiradas que aportarían un escudo más efectivo, sostenible y de menor coste. “Nuestra propuesta persigue ralentizar la oxidación y el desgaste de los materiales cerámicos aislantes capaces de soportar temperaturas extremas, de manera que aseguremos su durabilidad en el tiempo”, ha declarado el investigador principal del proyecto, Pedro Miranda.

El objetivo es refrigerar activamente los materiales que componen el escudo evitando la oxidación. Gracias a las capacidades de la impresión 3D se va a incorporar a esas cerámicas una serie de microcanales internos bioinspirados, es decir, imitando a la naturaleza. La mayoría de los seres vivos, tanto plantas como animales, que se encuentran en entornos térmicamente hostiles logran controlar las diferencias térmicas mediante la circulación de fluidos, a modo de sistema de refrigeración. “A los materiales cerámicos les vamos a dotar de una serie de canales interiores que asemejarían a los circuitos vasculares o de la savia, que van a redistribuir el intenso calor recibido por toda la aeronave, disminuyendo así el impacto del calor sobre el escudo”, ha explicado Pedro Miranda.

Otra ventaja de la solución bioinspirada es que proporcionará un escudo térmico más ligero que los escudos pasivos, que requieren un grosor bastante elevado y son, por tanto, más pesados. Este cambio, a su vez, puede suponer un importante ahorro en consumo de combustible por parte del vehículo espacial. “Ahora mismo, el coste de poner en órbita un kilogramo de material es de varios miles de dólares. El uso de escudos más ligeros no solo beneficia a los vehículos espaciales, sino también a los futuros aviones hipersónicos; todo los que sea reducir el peso de una aeronave supone un ahorro de combustible”, ha matizado Pedro Miranda.

En este proyecto participan dos grupos de investigación de la Universidad de Extremadura: el grupo ‘Gema’, experto en materiales cerámicos de alta temperatura y en procedimientos de impresión 3D de materiales cerámicos; y el grupo ‘Mecánica de fluidos’, ya que por los microcanales interiores circularán fluidos de refrigeración. “Este proyecto nos va a permitir ser pioneros y referentes mundiales en el desarrollo de estructuras con microcanales en cerámica de alta temperatura”, ha subrayado Pedro Miranda.

La colaboración de los socios suecos y franceses en el proyecto es clave para la fase de experimentación. La Universidad de Extremadura va a adquirir un dispositivo hecho a medida para simular temperaturas y flujos de calor similares a la reentrada en la atmósfera; pero para simular otras condiciones del plasma atmosférico, como la presencia de oxígeno ionizado, será preciso contar con el CNRS-Promes, un centro de energía solar experimental donde se pueden simular estas condiciones; por su parte, los dos socios suecos van a desarrollar escudos térmicos similares en metales, y con la ayuda de simulaciones numéricas pretenden encontrar aleaciones y procedimientos que permitan fabricar escudos combinando materiales cerámicos y metales, para maximizar las prestaciones estructurales y térmicas de los escudos térmicos propuestos.

Este modelo conceptual se puede aplicar también a la energía termosolar de concentración. “España es pionera a nivel mundial en esta tecnología, que consiste en una gran torre central rodeada de múltiples espejos que concentran toda la luz solar que incide sobre ellos, de manera que en lo alto de esa torre se alcanzan temperaturas de cientos de grados centígrados”, ha explicado Pedro Miranda. “Nuestros cerámicos refrigerados permitirían aumentar estas temperaturas sin que se resienta la estructura, aumentando la eficiencia energética de estos colectores solares”, ha concluido.