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NEXT GENERATION CERAMIC COMPOSITES FOR COMBUSTION HARSH ENVIRONMENTS AND SPACE

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Los materiales cerámicos híbridos que soportan el calor podrían facilitar los vuelos hipersónicos

El interior de los motores de los cohetes actuales puede alcanzar la abrasadora temperatura de 3 500 °C, lo suficientemente caliente como para fundir el metal más resistente. Los sistemas de protección térmica también deben soportar el calor sofocante generado por la atmósfera terrestre durante el ascenso y la reentrada del vehículo.

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Espacio

Los viajes hipersónicos implican una velocidad Mach 5 o superior, es decir, al menos cinco veces más rápido que la velocidad del sonido o 6 000 km/h aproximadamente. Al moverse a unas velocidades tan elevadas, el intenso calor generado por el aire en la atmósfera puede dañar la integridad estructural de las aeronaves y los cohetes. Las temperaturas a las que están expuestos los vehículos pueden estar muy por encima de los 2 000 °C, mientras que las partículas y los gases corrosivos pueden tener un gran impacto en su superficie. Los problemas estructurales surgen principalmente de la oxidación y la ablación (el aire y el gas extremadamente calientes eliminan las capas superficiales de los materiales metálicos de los vehículos que se desplazan a una velocidad hipersónica). Los sistemas de protección térmica deben soportar estas temperaturas extremas y unas vibraciones mecánicas intensas durante el ascenso orbital o la reentrada desde el espacio. En el ámbito de los motores, las toberas de los motores de los cohetes se enfrentan a unos entornos termoquímicos y mecánicos difíciles producidos por propergoles de alto rendimiento. La siguiente generación de motores de cohetes tendrá que alcanzar temperaturas aún más abrasadoras a fin de quemar menos combustible, generar más empuje y transportar cargas más grandes. «Los compuestos de matriz cerámica, que se fabrican a partir de fibras de cerámica incrustadas en una matriz cerámica, son los únicos materiales que pueden resistir choques térmicos fuertes y estrés mecánico crítico. Sin embargo, los compuestos de matriz cerámica convencionales no satisfacen los requisitos de ablación asociados, lo que causa que los vehículos lanzadores se destruyan durante la reentrada o se desechen en el espacio tras el primer lanzamiento», señala Diletta Sciti, coordinadora del proyecto financiado con fondos europeos C3HARME.

Los materiales cerámicos híbridos traspasan el límite

C3HARME desarrolló y probó una nueva clase de materiales híbridos, llamados compuestos de matriz cerámica de temperatura ultra alta (UHTCMC, por sus siglas en inglés), que combate los problemas que conllevan los vuelos hipersónicos. Esta nueva clase combina compuestos de matriz cerámica ligeros, que son resistentes y pueden soportar bien los choques térmicos, y las cerámicas de temperatura ultraalta, sus equivalentes más pesados y duros, que muestran una menor erosión cuando superan una temperatura determinada. Estos materiales híbridos también permiten experimentar con su estructura en todas las escalas y adaptarla. Estos materiales son únicos porque se han fabricado mediante procesos avanzados que reducen el tiempo y el coste de síntesis. Los investigadores aprovecharon el potencial de la sinterización por descarga de plasma, que permite una consolidación ultrarrápida, y la infiltración polimérica y pirólisis, que es el método estándar para fabricar los compuestos de matriz cerámica actuales que contienen carburo de silicio o matrices de carbono. El equipo consiguió producir más de mil muestras de formas diferentes. «Hemos batido el récord del disco más grueso jamás sintetizado, con una altura total de 160 mm y un peso de 11 kg, un punto de referencia para la sinterización por descarga de plasma», añade Sciti.

Materiales autorreparables y rentables

En ciertas condiciones, los UHTCMC pueden recuperar daños incipientes antes de que puedan extenderse. En situaciones de estrés térmico, las sustancias nanométricas añadidas a la fórmula del material cerámico desencadenan la formación de una capa protectora externa sólida y una fase interna líquida que reparan los defectos. Esta capacidad de autorreparación permite volver a utilizar los cohetes en varias reentradas. «Los materiales recién desarrollados mostraron una erosión y una ablación casi nulas en comparación con los compuestos de carbono-carbono que se usan actualmente en las toberas de cohetes —señala Sciti—. La disponibilidad de una nueva familia de materiales, que ofrece integridad estructural, protección térmica y una erosión y ablación casi nulas, fomentará el desarrollo de unos propergoles más eficientes y, al mismo tiempo, los componentes reutilizables servirán para reducir los gastos y los desechos». Las aplicaciones potenciales de los UHTCMC van mucho más allá de los vuelos hipersónicos. Los nuevos materiales podrían utilizarse para extender la vida útil de los materiales en la próxima generación de reactores nucleares o de sistemas de energía solar concentrada.

Palabras clave

C3HARME, cohete, hipersónico, compuestos de matriz cerámica, sistemas de protección térmica, toberas de cohetes, compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta

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