Fibras de carbono y materiales preimpregnados fabricados en la Unión Europea para las naves espaciales del futuro
Las estructuras de materiales compuestos para aplicaciones espaciales tienen que ser ligeras pero fuertes. Además deben resistir daños y soportar variaciones de temperatura significativas. En este contexto, las fibras de carbono extrarrígidas, o de módulo alto, y los materiales compuestos poliméricos reforzados con fibra constituyen materiales fundamentales para las naves espaciales del futuro. «Hasta ahora, los materiales compuestos eran suministrados sobre todo por empresas no europeas. Por ello, es necesario un centro de fabricación en Europa que garantice la independencia tecnológica en este ámbito. Dado que estos materiales se emplean en aplicaciones militares, su compra a proveedores japoneses y estadounidenses no es siempre un proceso sencillo —observa Nuno Rocha, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos SpaceCarbon—. Además, la importancia estratégica de la industria espacial, sobre todo de los satélites, hace que la seguridad del suministro sea esencial para garantizar la continuidad de los programas espaciales».
Mantener a Europa a la cabeza de la fabricación de materiales compuestos
Esta observación conformó el objetivo del proyecto EUCARBON, durante el cual se estableció la primera línea de producción europea de un material precursor (una fibra polimérica que sirve como materia prima para la producción de fibra de carbono) en las instalaciones de FISIPE próximas a Lisboa (Portugal). La capacidad de producción cumple con la demanda prevista de fibras de carbono extrarrígidas para subcomponentes satelitales. Las primeras fibras de carbono producidas alcanzaron un módulo de tracción de 348 GPa y una resistencia a la tracción de 4 200 MPa. Estas fueron la fibras de carbono con mayor rigidez producidas en Europa hasta ese momento y constituyeron un paso importante para establecer la capacidad de desarrollo y producción de fibras de carbono extrarrígidas. Sobre la base del éxito de EUCARBON, el equipo de SpaceCarbon mejoró aún más las propiedades de las fibras de carbono y del proceso de fabricación para que los productos fueran competitivos en comparación con los de fuentes no europeas. También amplió la capacidad de la instalación de prueba para producir fibras con rigidez intermedia para las estructuras de lanzadores.
Demostradores de fibras de carbono extrarrígidas y de rigidez intermedia
«Desarrollamos dos componentes satelitales con fibras de carbono extrarrígidas: un reflector laminado a gran escala y un tubo estructural. La resistencia a la tracción de la fibra de carbono objetivo varió de 4 000 a 5 000 MPa, mientras que el módulo de tracción varió entre 380 y 400 GPa», señala Rocha. El primer componente de demostración para el lanzador fue un recipiente de presión a pequeña escala fabricado con semiproducto de estopa preimpregnado. El segundo demostrador, un faldón (un componente estructural que conecta la carcasa del motor con el lanzador), se fabricó con semiproductos de estopa y cinta unidireccional preimpregnados. Las pruebas incluyeron la fabricación de fibras de filamento de 50, 24 y 12 k. La resistencia a la tracción de las fibras de carbono producidas osciló entre 5 000 y 6 000 MPa, mientras que el módulo de tracción fluctuó entre 280 y 320 GPa.
Formulaciones de materiales preimpregnados prometedoras
Las actividades del proyecto también implicaron el desarrollo de formulaciones de materiales preimpregnados mejoradas para futuros materiales compuestos estructurales de naves espaciales. Los materiales preimpregnados se desarrollaron utilizando fibras de referencia y fibras europeas producidas por un socio del proyecto. Se emplearon dos procesos de preimpregnación: la impregnación por inmersión en resina, en la que no se utilizaron disolventes, y la impregnación de fusión en caliente, en la que la resina sólida se calentó para impregnar las fibras. Se hizo especial hincapié en probar la desgasificación de la resina (un requisito fundamental para las aplicaciones satelitales). El equipo de SpaceCarbon empleó estrategias de hibridación de materiales para mejorar la tenacidad y las propiedades conductoras de los materiales preimpregnados y reducir los costes de producción. Además, se desarrollaron y fabricaron materiales compuestos híbridos al sustituir parcialmente los materiales preimpregnados de fibra extrarrígida por otros de menor rigidez y menor coste pero que cumplían con los requisitos de rendimiento. «Los materiales desarrollados ocupan una posición competitiva en el mercado de las fibras y los materiales compuestos para aplicaciones espaciales. El hecho de que se produzcan en Europa garantiza una mayor disponibilidad y unos plazos de entrega más cortos», concluye Rocha.
Palabras clave
SpaceCarbon, fibras de carbono, preimpregnado, materiales compuestos, satélite, lanzador, nave espacial, Europa, resistencia, módulo
