Las naves espaciales de mañana se construirán utilizando materiales avanzados con propiedades alucinantes.
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16 de septiembre de 2002: «Lo que realmente busco», le dices al vendedor, «es un coche que recorra al menos 16.000 kilómetros entre repostajes, que se repare automáticamente, que circule a 800 km/h y que pese sólo unos cientos de kilos.»
Mientras él se queda con los ojos muy abiertos, tú añades: «Ah, sí, y sólo puedo gastar una cuarta parte de lo que cuestan estos otros coches.»
Una petición como ésta seguramente hará que se rían de ti en el lote de coches nuevos. Pero en muchos sentidos, este coche de ensueño es una metáfora de los vehículos espaciales que necesitaremos para ampliar nuestra exploración del sistema solar en las próximas décadas. Estas nuevas naves espaciales tendrán que ser más rápidas, más ligeras, más baratas, más fiables, más duraderas y más versátiles, todo al mismo tiempo.
¿Imposible? Antes de responder, piense en cómo habría reaccionado un ganadero de hace 200 años si un hombre le hubiera pedido que le comprara un caballo que pudiera correr a 160 km/h durante horas, llevar a toda su familia y todo su equipaje, y cantarle sus canciones favoritas todo el tiempo. Hoy los llamamos monovolúmenes.
Las revoluciones tecnológicas -como la Revolución Industrial que sustituyó a los caballos por los coches- pueden hacer que lo que hoy parece imposible se convierta en algo común mañana.
Esta revolución está ocurriendo ahora mismo. Tres de las ciencias de más rápido crecimiento de nuestros días -la biotecnología, la nanotecnología y la tecnología de la información- están convergiendo para dar a los científicos un control sin precedentes de la materia a escala molecular. De esta fiebre del oro intelectual está surgiendo una nueva clase de materiales con propiedades asombrosas que suenan más a novela de ciencia ficción que a mesa de trabajo de laboratorio.
Imagínese, por ejemplo, una sustancia con una resistencia 100 veces superior a la del acero, pero con sólo 1/6 de su peso; materiales que se curan instantáneamente cuando se les pincha; superficies que pueden «sentir» las fuerzas que les presionan; cables y componentes electrónicos tan diminutos como las moléculas; materiales estructurales que también generan y almacenan electricidad; y líquidos que pueden cambiar instantáneamente a sólidos y volver a ellos a voluntad. Todos estos materiales existen hoy en día… y hay más en camino.
Con estos materiales tan alucinantes a mano, la construcción de la mejor nave espacial empieza a no parecer tan descabellada después de todo.
El peso equivale al dinero
El reto de la nave espacial de próxima generación depende de algunas cuestiones principales. El primero y más importante, por supuesto, es el coste.
«Incluso si todos los obstáculos técnicos se resolvieran hoy, la exploración de nuestro sistema solar tiene que ser asequible para ser práctica», dice el Dr. Neville Marzwell, director de Tecnología Aeroespacial Revolucionaria del Equipo de Planificación del Próximo Decenio de la NASA.
Bajar el coste de los vuelos espaciales significa principalmente reducir el peso. Cada libra recortada es una libra que no necesitará propulsión para escapar de la gravedad de la Tierra. Las naves espaciales más ligeras pueden tener motores más pequeños y eficientes y menos combustible. Esto, a su vez, ahorra más peso, creando así una espiral beneficiosa de ahorro de peso y reducción de costes.
Derecha: Este cohete lunar Saturno V completamente cargado pesaba 6,2 millones de libras. Era pesado y caro de lanzar.
El reto es recortar el peso al tiempo que se aumenta la seguridad, la fiabilidad y la funcionalidad. No basta con eliminar algunas partes.
Los científicos están explorando una serie de nuevas tecnologías que podrían ayudar a adelgazar las naves espaciales. Por ejemplo, los materiales de gasa, que son películas ultrafinas, podrían utilizarse para las antenas o los paneles fotovoltaicos en lugar de los componentes más voluminosos que se utilizan hoy en día, o incluso para grandes velas solares que proporcionen propulsión con un peso de sólo 4 a 6 gramos por metro cuadrado.
Los materiales compuestos, como los utilizados en las raquetas de tenis y los palos de golf de fibra de carbono, ya han contribuido en gran medida a reducir el peso de los diseños aeroespaciales sin comprometer su resistencia. Pero una nueva forma de carbono llamada «nanotubo de carbono» promete una mejora espectacular de los materiales compuestos: Los mejores materiales compuestos tienen una resistencia 3 ó 4 veces superior a la del acero en peso; en el caso de los nanotubos, 600 veces. Se parecen un poco al alambre de pollo enrollado en un cilindro con átomos de carbono situados en cada una de las esquinas de los hexágonos.
Típicamente, los nanotubos tienen entre 1,2 y 1,4 nanómetros de diámetro (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro), lo que equivale a unas 10 veces el radio de los propios átomos de carbono.
Arriba: El entramado de átomos de carbono de un nanotubo de carbono es como un tablero de clavijas para colgar otros tipos de átomos y moléculas que dan al nanotubo propiedades químicas, eléctricas o térmicas especiales. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Departamento de Física de la Universidad Estatal de Pensilvania.
Los nanotubos no se descubrieron hasta 1991, pero el intenso interés de la comunidad científica ya ha hecho avanzar enormemente nuestra capacidad de crear y utilizar nanotubos. Hace sólo 2 ó 3 años, los nanotubos más largos que se habían fabricado medían unos 1000 nanómetros (1 micra). Hoy, los científicos son capaces de cultivar tubos de hasta 200 millones de nanómetros (20 cm). Bushnell señala que hay al menos 56 laboratorios en todo el mundo que trabajan para producir en masa estos diminutos tubos.
«Se están haciendo grandes avances, por lo que la fabricación de materiales a granel utilizando nanotubos probablemente se producirá», afirma Bushnell. «Lo que no sabemos es cuánto de esta fuerza 600 veces superior a la del acero en peso se manifestará en un material a granel. Aun así, los nanotubos son nuestra mejor apuesta».
Cierto: La resistencia a la tracción de los nanotubos de carbono supera con creces la de otros materiales de alta resistencia. Obsérvese que cada incremento en el eje vertical es una potencia de 10.
Además de ser resistentes, los nanotubos serán probablemente importantes para otra parte del plan de reducción de peso de las naves espaciales: materiales que pueden servir para más de una función.
«Solíamos construir estructuras que eran sólo soportes tontos y de peso muerto para las partes activas, como sensores, procesadores e instrumentos», explica Marzwell. «Ahora no necesitamos eso. El soporte puede ser una parte integral y activa del sistema».
Imagínese que el cuerpo de una nave espacial pudiera también almacenar energía, eliminando la necesidad de pesadas baterías. O que las superficies pudieran doblarse por sí solas, eliminando los actuadores independientes. O que los circuitos pudieran integrarse directamente en el cuerpo de la nave. Cuando los materiales puedan diseñarse a escala molecular, estas estructuras holísticas serán posibles.
Pieles de naves espaciales
Los humanos pueden sentir hasta el más mínimo pinchazo en cualquier parte de su cuerpo. Se trata de una asombrosa forma de autocontrol, que es posible gracias a que la piel contiene millones de terminaciones nerviosas microscópicas y nervios que transportan esas señales al cerebro.
De la misma manera, los materiales que componen los sistemas críticos de una nave espacial podrían llevar incorporados sensores a escala nanométrica que controlarían constantemente el estado de los materiales. Si alguna pieza empieza a fallar, es decir, se «siente mal», estos sensores podrían alertar al ordenador central antes de que se produzca la tragedia.
Los cables moleculares podrían llevar las señales de todos estos sensores entretejidos al ordenador central, evitando el volumen poco práctico de los millones y millones de cables actuales. Una vez más, los nanotubos podrían desempeñar esta función. Convenientemente, los nanotubos pueden actuar como conductores o semiconductores, dependiendo de cómo estén hechos. Los científicos han fabricado hilos moleculares con otras moléculas alargadas, algunas de las cuales incluso se autoensamblan de forma natural en configuraciones útiles.
Izquierda: este material piezoeléctrico, desarrollado en el Centro de Investigación Langley (LaRC) de la NASA, puede «sentir» deformaciones como la flexión o la presión superficial, produciendo un pequeño voltaje en respuesta que puede actuar como señal para un ordenador central. Imagen por cortesía del Proyecto Morphing de la NASA en el LaRC.
La piel también es capaz de curarse a sí misma. Lo creas o no, algunos materiales avanzados pueden hacer lo mismo. Los materiales autocurativos hechos de moléculas de cadena larga llamadas ionómeros reaccionan ante un objeto penetrante, como una bala, cerrándose tras ella. Las naves espaciales podrían utilizar este tipo de pieles porque el espacio está lleno de pequeños proyectiles, trozos de escombros de cometas y asteroides que se mueven rápidamente. Si uno de estos objetos del tamaño de una arena o un guijarro perforara el blindaje de la nave, una capa de material autorreparable mantendría la cabina hermética.
Los meteoritos no son el único peligro; el espacio también está lleno de radiación. Las naves espaciales en la órbita baja de la Tierra están sustancialmente protegidas por el campo magnético de nuestro planeta, que forma una burbuja segura de unos 50.000 km de ancho centrada en la Tierra. Sin embargo, más allá de esa distancia, las erupciones solares y los rayos cósmicos suponen una amenaza para los viajeros espaciales.
Correcto: Una erupción solar lanza una radiación energética al espacio.
Los científicos siguen buscando una buena solución. El truco consiste en proporcionar un blindaje adecuado sin añadir mucho peso adicional a la nave espacial. Actualmente se están probando algunos materiales ligeros de blindaje contra la radiación en un experimento llamado (MISSE) a bordo de la Estación Espacial Internacional. Pero estos materiales por sí solos no serán suficientes.
El verdadero enemigo es la Radiación Cósmica Galáctica (GCR) producida en las lejanas explosiones de supernovas. Consiste, en parte, en iones positivos muy pesados -como los núcleos de hierro- que se desplazan a gran velocidad. La combinación de alta masa y alta velocidad hace que estas pequeñas «balas de cañón» atómicas sean muy destructivas. Cuando atraviesan las células del cuerpo de las personas, pueden destrozar el ADN, provocando enfermedades e incluso cáncer.
«Resulta que los peores materiales que se pueden utilizar para protegerse de la GCR son los metales», señala Bushnell. Cuando un rayo cómico galáctico choca con un átomo metálico, puede romper el núcleo del átomo, un proceso similar a la fisión que se produce en las centrales nucleares. La radiación secundaria producida por estas colisiones puede ser peor que el GCR que el metal debía proteger.
Irónicamente, los elementos ligeros como el hidrógeno y el helio son la mejor defensa contra estos brutos GCR, porque las colisiones con ellos producen poca radiación secundaria. Algunas personas han sugerido rodear los habitáculos de la nave con un tanque de hidrógeno líquido. Según Bushnell, una capa de hidrógeno líquido de 50 a 100 cm de espesor proporcionaría un blindaje adecuado. Pero es probable que el tanque y el sistema criogénico sean pesados e incómodos.
Aquí también podrían ser útiles los nanotubos. Un entramado de nanotubos de carbono puede almacenar hidrógeno a altas densidades, y sin necesidad de frío extremo. Así que si nuestra nave espacial del futuro ya utiliza nanotubos como material estructural ultraligero, ¿podrían esos tubos cargarse también de hidrógeno para servir de escudo contra la radiación? Los científicos están estudiando esta posibilidad.
Izquierda: Cuando los rayos cósmicos de alta energía chocan con el ADN de los astronautas, pueden causar daños que conducen a cánceres u otras enfermedades inducidas por la radiación. Imágenes por cortesía de la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA.
Dando un paso más, las capas de este material estructural podrían estar mezcladas con átomos de otros elementos que son buenos para filtrar otras formas de radiación: el boro y el litio para manejar los neutrones, y el aluminio para absorber los electrones, por ejemplo.
Acampando en el Cosmos
La superficie de la Tierra está mayormente a salvo de la radiación cósmica, pero otros planetas no tienen tanta suerte. Marte, por ejemplo, no tiene un fuerte campo magnético global para desviar las partículas de radiación, y su manto atmosférico es 140 veces más delgado que el de la Tierra. Estas dos diferencias hacen que la dosis de radiación en la superficie marciana sea un tercio más intensa que en el espacio abierto sin protección. Los futuros exploradores de Marte necesitarán un escudo contra la radiación.
«No podemos llevarnos la mayoría de los materiales para un refugio a largo plazo por cuestiones de peso. Así que algo en lo que estamos trabajando es en cómo fabricar materiales que protejan de la radiación a partir de los elementos que encontremos allí», dice Sheila Thibeault, una científica de LaRC especializada en el blindaje contra la radiación.
Derecha: Los astronautas que acampen en Marte necesitarán protección contra la radiación espacial. Crédito de la imagen:Frassanito and Associates, Inc.
Una posible solución son los «ladrillos de Marte». Explica Thibeault: «Los astronautas podrían producir ladrillos resistentes a la radiación a partir de materiales disponibles localmente en Marte, y utilizarlos para construir refugios». Podrían, por ejemplo, combinar el «regolito» similar a la arena que cubre la superficie marciana con un polímero fabricado in situ a partir de dióxido de carbono y agua, ambos abundantes en el planeta rojo. Aplicando esta mezcla con microondas se crearían ladrillos de aspecto plástico que servirían de escudo contra la radiación.
«Utilizando microondas, podemos fabricar estos ladrillos rápidamente y con muy poca energía o equipo», explica. «Y el polímero que utilizaríamos se suma a las propiedades de blindaje contra la radiación del regolito».
Los refugios de Marte necesitarían la fiabilidad de los materiales de autodetección, la durabilidad de los materiales de autocuración y el ahorro de peso de los materiales multifuncionales. En otras palabras, una casa en Marte y una buena nave espacial necesitan muchas de las mismas cosas. Todas ellas están siendo consideradas por los investigadores, dice Thibeault.
La gente de casa
Los materiales avanzados que hacen volar la mente también serán útiles en la Tierra.
«La investigación de la NASA está ciertamente centrada en los vehículos aeroespaciales», señala Anna McGowan, gerente del Proyecto Morphing de la NASA (un esfuerzo de investigación de materiales avanzados en el Centro de Investigación Langley). «Sin embargo, la ciencia básica podría utilizarse en muchos otros ámbitos. Podría haber millones de beneficios indirectos».
Izquierda: Fabricados con materiales inteligentes, los aviones del futuro podrían tener alas autoflexibles que funcionen sin alerones, reduciendo así la resistencia y los costes de combustible.
Pero todavía no. La mayoría de los materiales avanzados carecen del refinamiento de ingeniería necesario para un producto pulido y robusto. No están listos para el primer plano. Aun así, dicen los investigadores, es sólo cuestión de tiempo: Al final, el vendedor de coches dejará de reírse… y empezará a vender la máquina de sus sueños de la era espacial.
Enlaces web
¡Buck Rogers, cuidado! — Artículo de Science@NASA: Los investigadores de la NASA están estudiando insectos y pájaros, y utilizando materiales «inteligentes» con propiedades extrañas para desarrollar nuevos y alucinantes diseños de aviones.
Muestras del futuro — Artículo de Science@NASA: Las avanzadas naves espaciales del futuro se fabricarán con materiales extravagantes con una extraordinaria resistencia al duro entorno del espacio. El Experimento de Materiales de la Estación Espacial Internacional (MISSE) pretende averiguar qué materiales funcionan mejor.
Derecha: Con el sol naciente como telón de fondo, MISSE sobresale en el espacio fuera de la Estación Espacial Internacional.
Colocándose y poniéndose a cubierto — Artículo de Science@NASA: La tierra lunar y marciana podría servir de escudo contra la radiación para las tripulaciones de futuras misiones. Véase también «Making Mars Bricks» (fabricando ladrillos para Marte).
Centro de Nanotecnología (CNT) — en el Centro de Investigación Ames de la NASA.
Necesidades de futuras misiones — listado de tecnologías necesarias para la futura exploración espacial y algunas posibles soluciones, del CNT.
Enlaces de nanotubos: Nanotubos &Buckyballs (Nanotechnology Now); Nanotubos de carbono (Penn State University); Proyecto de nanotubos del Centro Espacial Johnson (NASA).
Investigación en electrónica molecular: un transistor a escala nanométrica de IBM; una sencilla puerta lógica hecha con nanocables; un nanotubo personalizable para alambres o estructuras de la Universidad de Purdue.
El clima espacial en Marte — Artículo de Science@NASA: Los futuros exploradores humanos de Marte pueden dejar sus paraguas en la Tierra, pero quizás no deberían olvidar sus contadores Geiger. Un experimento de la NASA de camino al Planeta Rojo pretende averiguarlo.
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