Ingenieros de la NASA y el MIT desarrollan un ala polimérica metamórfica para aviones más ligeros y eficientes

Un equipo de ingenieros del Centro de Investigación Ames de la NASA (Mountain View, California, EE. UU.) y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, Cambridge, Massachusetts, EE. UU.) ha construido y probado un ala de avión ensamblada a partir de una red compuesta por cientos de diminutas piezas poliméricas idénticas. Según los investigadores, esta ala puede cambiar de forma para controlar el vuelo de la aeronave.

Diseño probado en túnel de viento

El diseño del ala fue probado en un túnel de viento de la NASA y se describe en un artículo publicado en la revista Smart Materials and Structures, coescrito por el ingeniero de investigación Nicholas Cramer en el Centro Ames de la NASA en California; el ingeniero del Centro Ames de la NASA y exalumno del MIT Kenneth Cheung; el estudiante de posgrado del MIT Benjamin Jenett y otros ocho autores.

Control de vuelo sin superficies móviles independientes

A diferencia de las alas convencionales, que requieren superficies móviles separadas como los alerones para controlar el balanceo y el cabeceo del avión, el nuevo sistema de ensamblaje permite deformar el ala completa o partes de ella incorporando una mezcla de componentes rígidos y flexibles en su estructura. Los diminutos subconjuntos, atornillados entre sí para formar una estructura de celosía abierta y ligera, se recubren luego con una fina capa de material polimérico similar al de la estructura.

Una ala más ligera y eficiente

El resultado es un ala más ligera y, por tanto, más eficiente energéticamente que las de diseños convencionales, ya sean de metal o compuestos, afirman los investigadores. Dado que la estructura, compuesta por miles de diminutos triángulos de puntales similares a cerillas, está formada en su mayor parte por espacio vacío, constituye un "metamaterial" mecánico que combina la rigidez estructural de un polímero similar al caucho con la extrema ligereza y baja densidad de un aerogel.

Adaptación automática a cada fase de vuelo

Jenett explica que existe un conjunto diferente de parámetros óptimos para cada fase de vuelo, lo que permite una mejor aproximación a la mejor configuración para cada etapa. El sistema está diseñado para responder automáticamente a los cambios en sus condiciones de carga aerodinámica modificando su forma de manera específica.

Fabricación escalable con robots autónomos

Hace unos años, Cheung y otros miembros del equipo crearon un ala demostrativa de un metro de largo. La nueva versión, aproximadamente cinco veces más larga, es comparable en tamaño al ala de un avión monoplaza real y está diseñada para ser ensamblada fácilmente por robots autónomos. El diseño y las pruebas del sistema de ensamblaje robótico son objeto de un próximo artículo, según Jenett.

De corte por chorro de agua a moldeo por inyección

Las piezas individuales del ala anterior se cortaban mediante un sistema de chorro de agua, y cada pieza tardaba varios minutos en fabricarse, explica Jenett. El nuevo sistema utiliza moldeo por inyección con resina de polietileno en un molde 3D complejo, y produce cada pieza —esencialmente un cubo hueco formado por puntales del tamaño de una cerilla en cada arista— en tan solo 17 segundos, lo que lo acerca mucho a niveles de producción escalables.

"Ahora tenemos un método de fabricación", dice. Aunque hay una inversión inicial en utillaje, una vez hecho esto, "las piezas son baratas", afirma. "Tenemos cajas y cajas de ellas, todas iguales".

Densidad ultrarreducida

La celosía resultante, dice, tiene una densidad de 5,6 kilogramos por metro cúbico. Por comparación, el caucho tiene una densidad de unos 1.500 kilogramos por metro cúbico. "Tienen la misma rigidez, pero la nuestra tiene menos de aproximadamente una milésima parte de la densidad", señala Jenett.

Posibilidades de diseño revolucionarias

Dado que la configuración general del ala u otra estructura se construye a partir de diminutas subunidades, el diseño general de la estructura del ala podría cambiarse de su forma tradicional, dice Jenett. Estudios han demostrado que una estructura integrada de cuerpo y ala podría ser mucho más eficiente para muchas aplicaciones, y con este sistema podrían construirse, probarse, modificarse y volver a probarse fácilmente.

Aplicaciones más allá de la aviación

El mismo sistema podría utilizarse para fabricar otras estructuras, como palas de turbinas eólicas, donde la capacidad de ensamblaje in situ evitaría los problemas de transporte de palas cada vez más largas. Se están desarrollando ensamblajes similares para construir estructuras espaciales, y eventualmente podrían utilizarse para puentes y otras estructuras de alto rendimiento.

El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Cornell, la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de California en Santa Cruz, el Centro de Investigación Langley de la NASA, la Universidad Tecnológica de Kaunas en Lituania y Qualified Technical Services Inc., en Moffett Field, California, EE. UU. El trabajo fue apoyado por el Programa de Soluciones Aeronáuticas Convergentes de la NASA ARMD (Proyecto MADCAT) y el Centro de Bits y Átomos del MIT.