Por: Francis Avilés Cetina (CICY)
Desde que el ser humano aprendió a controlar la ingeniería de los materiales, se ha interesado en generar combinaciones de los mismos que puedan producir mejores prestaciones, es decir, materiales compuestos.
Un material compuesto puede definirse como la combinación de dos (o más) materiales para producir un tercero, con propiedades únicas que no son alcanzables por alguno de los dos materiales originales por separado; eso es, en esencia, lo que se dice (o espera) de un matrimonio, desde el punto de vista filosófico, civil y/o religioso. Ejemplos típicos los encontramos en el concreto utilizado en la construcción, el cual es una mezcla de cemento, agua, piedras y arena, además de otros posibles agregados.
Otro ejemplo típico son los materiales compuestos poliméricos fibrorreforzados, es decir, plásticos reforzados con fibras. En este último caso, la flexibilidad y la versatilidad de procesamiento de los polímeros (macromoléculas, o como se les conoce comúnmente, plásticos) son aprovechadas para el desarrollo de materiales multifuncionales.
Sin embargo, en las aplicaciones en las que las cargas mecánicas que estos materiales deben soportar son elevadas, se necesita del reforzamiento de estos polímeros con fibras de mayor rigidez y resistencia mecánica. Estas pueden ir desde fibras naturales, como las obtenidas del henequén y el coco, hasta fibras de ingeniería de mayores prestaciones mecánicas, como lo son las fibras de vidrio, aramida (Kapton®, Kevlar®) o carbono.
Con el surgimiento de la nanotecnología, se ha aprovechado también la inclusión de nanopartículas o nanoestructuras (nanotubos, nanoarcillas, hojas grafénicas), como un tercer elemento material en estos compuestos, para proporcionar una propiedad adicional que los otros dos materiales no ofrecen, o bien, multifuncionalidad.
Este es el caso de, por ejemplo, la adición de hojas grafénicas a un material compuesto de una matriz epoxídica y fibras de vidrio, donde las hojas grafénicas proporcionan conductividad eléctrica o térmica al material compuesto. Estos materiales compuestos avanzados encuentran vastas aplicaciones en las industrias de la construcción, automotriz, electrónica y aeronáutica, por nombrar unas cuantas (Fig. 1).
Otro nicho importante de aplicación de estos materiales compuestos avanzados, que recientemente ha tomado mucho auge, se encuentra en el desarrollo de fuentes de energía alternativa. De este modo, materiales compuestos basados en nanoestructuras de carbono son ahora el foco de atención para el desarrollo de baterías y supercapacitores, debido principalmente a su alta conductividad eléctrica y gran área superficial.
Otra de las aplicaciones actuales más relevantes consiste en aprovechar la energía limpia y gratuita del viento (el potencial eólico), para el desarrollo de turbinas o generadores eólicos (Fig. 2). Países como Dinamarca, Inglaterra, China y España son líderes en la construcción de estos aerogeneradores y de la consecuente generación de energía eléctrica por medios eólicos. Aunque en México ya se cuenta con granjas eólicas instaladas en sitios como la Venta (Oaxaca), la Rumorosa (Baja California) y Dzilam de Bravo (Yucatán), la fabricación y la tecnología de mantenimiento de estos aerogeneradores en México son aún muy incipientes.
Las aspas de estos aerogeneradores son típicamente fabricadas de materiales compuestos poliméricos fibrorreforzados, tales como resinas epóxicas o éster vinílicas reforzadas con fibras de vidrio; debido a que dichas aspas pueden medir varias decenas de metros de largo (70-100 m), se necesitan estudios, ensayos, procesos de manufactura y simulaciones de ingeniería dedicadas para diseñar, construir, ensayar y pronosticar la vida útil de estas sorprendentes estructuras de tan grandiosa Ingeniería. Ante tal envergadura, el peso del material constituyente es uno de los factores económicos e ingenieriles más importantes, por lo que estas estructuras se prefieren construir con materiales compuestos poliméricos (livianos).
La vida útil de un aerogenerador se estima que es de veinte años y, además de cargas mecánicas combinadas de flexión, pandeo y torsión (entre otras), deben resistir el impacto ambiental, las lluvias y las descargas eléctricas de tormentas e inclemencias climáticas, cuestiones que complican mucho su diseño [3]. Además de su instalación y puesta en marcha, se debe tener previsiones adecuadas para su mantenimiento, especialmente, cuando se considera su altura (cientos de metros), y el hecho de que algunas pudieran estar dentro del mar. Todo esto hace de los generadores eólicos estructuras sorprendentes que ejemplifican el avance actual de la ciencia e ingeniería de los materiales, en particular, de los materiales compuestos fibrorreforzados, aspectos en los que México debe continuar preparándose.
Referencias
1. Notus composites FZC, Ras Al Khaimah, Emiratos Árabes Unidos, https://www.notuscomposites.com/news. Consultado el 25 de marzo de 2020.
2. Asociación Mexicana de Energía Eólica. http://ecotec.unam.mx/Ecotec/organizaciones/asociacion-mexicana-de-energia-eolica-amdee. Consultado el 25 de marzo de 2020.
3. Materials for wind turbine blades: An overview. L. Mishnaevsky Jr., K. Branner, H.N. Petersen, J. Beauson, M. McGugan, B.F. Sørensen. Materials, 10 (2017), 1285.
Acerca del autor
El doctor Francis Avilés Cetina es investigador titular D de la Unidad de Materiales del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY). Obtuvo el grado de doctor con la especialidad en Mecánica de Sólidos en la Universidad del Atlántico de Florida y un postdoctorado en el Centro de Materiales Compuestos de la Universidad de Delaware. Ha realizado varias estancias de investigación internacionales, entre las que se cuenta un proyecto danés para el desarrollo de turbinas eólicas con la empresa LM Windpower. Contacto: Gabriela Herrera en el correo gabyherrera@cicy.mx.
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