- La Universidad de Tecnología de Dalian ha desarrollado un diseño de metamaterial basado en cáscaras de huevo para proteger a las naves espaciales de los desechos espaciales.
- El nuevo diseño utiliza tecnología de impresión 3D para crear cáscaras de huevo de aluminio huecas que absorben eficazmente las ondas de choque intensas.
- La estructura de la cáscara de huevo llena de agua mostró el mejor rendimiento en las pruebas de impacto, reduciendo la velocidad del proyectil en casi un 65%.
- El equipo de investigación está mejorando el diseño del material para maximizar la protección y minimizar el peso, previniendo el síndrome de Kessler.
Según los informes, un diseño inspirado en cáscaras de huevo podría pronto utilizarse para proteger a las naves espaciales de colisiones a alta velocidad en órbita. Investigadores de la Universidad de Tecnología de Dalian han desarrollado un diseño de metamaterial bioinspirado y ultraligero basado en "cáscaras de huevo" para proteger a las naves espaciales de los desechos espaciales. Con el aumento de los lanzamientos, la órbita se está convirtiendo gradualmente en un vertedero. Actualmente, casi un millón de fragmentos de metal, pintura y piezas de cohetes rotas, de más de un centímetro de diámetro, atraviesan la órbita de la Tierra a velocidades extremadamente altas. Incluso fragmentos diminutos, si chocan a velocidades de decenas de miles de millas por hora, pueden generar una fuerza explosiva similar a la de una granada de mano, amenazando a satélites críticos, costosos telescopios espaciales y estaciones espaciales habitadas.
Los ingenieros han pasado décadas buscando armaduras más ligeras y duraderas para resistir estas balas cósmicas, y la respuesta podría estar en las cáscaras de huevo.
Diseño y rendimiento de la estructura de la cáscara de huevo
El equipo de Dalian ha propuesto un sistema de protección para naves espaciales basado en el modelo de la cáscara de huevo. Han creado, mediante tecnología de impresión 3D, una serie de cáscaras de huevo de aluminio huecas y las han colocado entre dos placas de impacto metálicas. Este diseño absorbe eficazmente las ondas de choque intensas que, de otro modo, harían que las armaduras tradicionales se fragmentaran. El autor Wang Yuxin declaró: "Las estructuras biológicas naturales, tras una larga adaptación, muestran un excelente rendimiento en la absorción de energía".
La idea de amortiguación líquida puede parecer poco práctica. Los huevos son conocidos por su fragilidad, rompiéndose fácilmente en el mostrador con un ligero toque. Sin embargo, la naturaleza ha diseñado la forma del huevo como una obra de arte geométrica. Al organizarlos en una serie, se forma una estructura inesperadamente robusta. Los investigadores colocaron cáscaras de huevo de aluminio llenas de agua con la parte roma hacia abajo entre dos placas. Este diseño dispersa la fuerza del impacto por todo el sistema. El resultado es que cada cáscara de huevo colapsa secuencialmente, absorbiendo y disipando gradualmente la energía cinética. Wang declaró: "Una sola cáscara de huevo es propensa a romperse bajo una fuerza localizada, pero el mecanismo de protección de la serie de cáscaras de huevo es completamente diferente".
La deformación coordinada de estas unidades de cáscara de huevo transforma la carga de impacto localizada en una disipación de energía distribuida en el metamaterial, mejorando significativamente el rendimiento de resistencia al impacto de la placa objetivo.
Mejora del material para aumentar la protección
La adición de agua en el interior de las cáscaras de huevo de aluminio mejora aún más el rendimiento de la armadura. En colisiones a alta velocidad, el líquido atrapado se agita en el interior, mitigando la propagación de las ondas de choque posteriores. Para evaluar el diseño, los investigadores realizaron pruebas y simulaciones de impresión 3D, comparando placas de aluminio macizo, esferas de aluminio llenas de agua y metamateriales de cáscara de huevo. La estructura de la cáscara de huevo llena de agua mostró el mejor rendimiento entre todos los diseños, reduciendo la velocidad del proyectil en casi un 65%, mientras que la placa de aluminio macizo solo lo hizo en un 51%. Colocar la cáscara de huevo en posición vertical, con la punta hacia la placa superior, proporciona el mejor efecto.
Wang declaró: "Este trabajo demuestra que los metamateriales bioinspirados y ultraligeros son una solución prometedora para la protección contra impactos a alta velocidad. Esperamos que esta investigación atraiga más atención hacia las estructuras de protección bioinspiradas". Sin embargo, este material aún no está listo para ser lanzado al espacio. El equipo está trabajando activamente en mejorar el grosor, la disposición y la relación de aspecto de las cáscaras metálicas para maximizar la protección y minimizar el peso, lo cual es crucial para la carga útil de los cohetes. Esto puede prevenir el síndrome de Kessler, una reacción en cadena peligrosa en la que las colisiones entre objetos espaciales producen miles de fragmentos a alta velocidad que impactan otros satélites y cohetes, generando aún más fragmentos a una velocidad que supera la eliminación por la resistencia atmosférica.
Si se adopta este enfoque bioinspirado, podría convertirse en un escudo invisible para proteger los mayores logros cósmicos de la humanidad del letal halo de basura que rodea la Tierra.
Estos resultados de investigación se publicaron en el Journal of Applied Physics el 8 de septiembre.
El potencial de los diseños bioinspirados en la protección espacial
La investigación de la Universidad de Tecnología de Dalian muestra el potencial de los diseños bioinspirados en la protección espacial, especialmente ante el creciente problema de la basura espacial. Con el aumento de las actividades espaciales, la necesidad de proteger a las naves espaciales de colisiones a alta velocidad es cada vez más urgente. El diseño de la estructura de la cáscara de huevo no solo absorbe eficazmente el impacto, sino que también mejora el rendimiento mediante la amortiguación líquida. El éxito de esta investigación podría proporcionar nuevas soluciones para la seguridad de las futuras naves espaciales e incentivar más atención hacia los materiales bioinspirados, impulsando el desarrollo y la aplicación de tecnologías relacionadas.