Las últimas innovaciones aeroespaciales allanan el camino para la aviación de próxima generación

La industria aeroespacial, que evoluciona rápidamente, está constantemente explorando formas de mejorar la eficiencia, el rendimiento y la seguridad, al tiempo que reduce las emisiones de carbono y mantiene la sostenibilidad. 

En los últimos años, varios avances tecnológicos han ampliado las capacidades de los viajes aéreos tanto dentro de la atmósfera terrestre como fuera de ella. Esto incluye tecnología satelital avanzada para comunicaciones, fabricación aditiva para componentes ligeros, propulsión eléctrica para reducir emisiones y costos, vuelo supersónico para viajes más rápidos, y inteligencia artificial y aprendizaje automático para mejorar la eficiencia operativa.

El sector aeroespacial se centra en materiales avanzados con propiedades muy específicas. Los sistemas suelen involucrar diferentes tipos de materiales, que van desde cerámicos térmicos hasta fibra de carbono y titanio, los cuales se utilizan para innumerables propósitos para optimizar el rendimiento.

La investigación en este área busca desarrollar materiales multifuncionales, es decir, materiales que no solo cumplen funciones estructurales sino que también pueden ofrecer otras características como refrigeración activa. Para materializar conceptos aeroespaciales avanzados, los materiales deben ser más duraderos, ligeros y rentables que nunca. 

A medida que la industria aeroespacial sigue avanzando, examinemos las últimas innovaciones revolucionarias que la llevarán aún más lejos.

Desbloqueando el ‘Genoma de Materiales’ para Avanzar en el Diseño

El mes pasado, investigadores de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica de la Universidad de Sídney descubrieron un método de microscopía para desentrañar las relaciones atómicas dentro de materiales cristalinos como aceros avanzados y silicio a medida.

Esto significa que los investigadores pueden detectar incluso cambios minúsculos en la arquitectura a nivel atómico de estos materiales, mejorando nuestra comprensión de los orígenes fundamentales de sus propiedades y comportamiento. Este conocimiento permitirá el desarrollo de semiconductores avanzados para la electrónica y aleaciones más ligeras y fuertes para el sector aeroespacial.

Para ello, los investigadores utilizaron tomografía de sonda atómica (APT), una técnica que visualiza átomos en tres dimensiones (3D), para desentrañar la complejidad del orden a corto alcance (SRO). El SRO es una medida cuantitativa de la tendencia relativa de los elementos constituyentes de un material a desviarse de una distribución aleatoria. Comprender los entornos atómicos locales es esencial para crear materiales innovadores.

Al cuantificar la no aleatoriedad de las relaciones vecinales a escala atómica dentro del cristal en detalle, el SRO abre “vastas posibilidades para materiales diseñados a medida, átomo por átomo, con disposiciones vecinales específicas para lograr propiedades deseadas como la resistencia”, dijo el líder del estudio, el profesor Simon Ringer, quien es Provicecanciller (Infraestructura de Investigación) en la Universidad de Sídney.

A veces llamado el ‘genoma de materiales’, el SRO ha sido un desafío de medir y cuantificar. Esto se debe a que las disposiciones atómicas ocurren a una escala tan pequeña que no pueden verse con técnicas de microscopía convencionales.

Así, el equipo de investigadores desarrolló un nuevo método usando APT que supera estos desafíos, convirtiéndolo “en un avance significativo en la ciencia de materiales”, dijo Ringer, ingeniero de materiales en AMME. 

El enfoque del estudio ha sido en aleaciones de alta entropía (HEA), un área muy investigada debido a su potencial para su uso en situaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, incluidos motores a reacción y centrales eléctricas.

Utilizando técnicas avanzadas de ciencia de datos y basándose en datos de APT, los investigadores observaron y midieron el SRO. Luego pudieron comparar cómo cambia el SRO en una aleación de alta entropía de cobalto, cromo y níquel bajo diferentes tratamientos térmicos.

Según el Dr. Andrew Breen, investigador postdoctoral senior:

“(El estudio ha producido un) análisis de sensibilidad que delimita el rango preciso de circunstancias bajo las cuales dichas mediciones son válidas y donde no lo son.”

Al medir y comprender el SRO, este estudio también podría ayudar a transformar los enfoques de diseño de materiales y demostrar cómo “pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico pueden conducir a saltos gigantes en el rendimiento de los materiales”, dijo el Dr. Mengwei He, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica.

Además, al proporcionar un plano a nivel microscópico, el estudio mejora la capacidad de los investigadores para simular computacionalmente, modelar y predecir el comportamiento de los materiales. También puede servir como plantilla para futuros estudios en los que el SRO controle propiedades críticas de los materiales. 

Un nuevo material que hace posible el vuelo hipersónico

Existe un gran interés en lograr un vuelo sostenido a velocidades hipersónicas, pero persisten desafíos técnicos. Estos incluyen gestionar el calor extremo, desarrollar materiales que puedan soportar tensiones, temperaturas extremas y oxidación sin comprometer el rendimiento, y crear sistemas de propulsión que operen eficientemente a altas velocidades y altitudes. 

Mientras los investigadores buscan soluciones a estos problemas, científicos de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Guangzhou informaron un avance en escudos térmicos hipersónicos a principios de este año.

En lo que podría ser un cambio de juego para el vuelo hipersónico, los científicos desarrollaron un nuevo material, cerámica porosa, que brinda “excepcional estabilidad térmica” y “resistencia a la compresión ultralta”. 

Esto se ha logrado mediante un diseño de estructura multiescala, que los científicos afirman se ha realizado por primera vez. Además, la rápida fabricación de estas cerámicas de alta entropía abre la puerta a una mayor exploración en los sectores aeroespacial, de ingeniería química y de producción y transferencia de energía.

Los investigadores dijeron que las cerámicas fueron fabricadas mediante “una técnica de síntesis a alta temperatura ultrarrápida que puede conducir a una capacidad excepcional de carga mecánica y un alto rendimiento de aislamiento térmico”.

Para abordar el desafío de materiales fuertes y ligeros con baja conductividad térmica, los científicos usaron materiales cerámicos que son incombustibles y resistentes a la corrosión, tienen puntos de fusión altos y presentan baja conductividad térmica. Por supuesto, los materiales cerámicos convencionales siguen siendo insuficientes para manejar temperaturas y presiones extremadamente altas.

Aunque los materiales ligeros y porosos tienen bajas capacidades de transferencia térmica, también conllevan una mayor fragilidad.

Así, los investigadores comenzaron a trabajar en mejorar simultáneamente “la resistencia mecánica y la capacidad de aislamiento térmico de las cerámicas porosas”. Esto los llevó al concepto de alta entropía, que se centra en múltiples elementos en proporciones iguales para crear componentes más fuertes, más estables y más resistentes al calor.

Los científicos encontraron que el material cerámico recién creado — llamado diboruro de alta entropía porosa de 9 cationes (9PHEB) — logró un buen equilibrio entre resistencia al calor y fuerza sin las limitaciones habituales. Este nuevo material también cumplió con los requisitos de peso y aislamiento para el vuelo aeroespacial.

Según los investigadores:

“Las interfaces de alta calidad, caracterizadas por una unión fuerte sin defectos ni fases amorfas, pueden promover la transferencia rápida de fuerza a lo largo del bloque de construcción y a muchos otros mediante conexiones bajo carga, lo que lleva a una mejora significativa de la resistencia mecánica.”

El estudio también señaló que el nuevo material 9PHEB es excepcional tanto en resistencia como en estabilidad térmica. 

Materiales autorreparables para estructuras aeroespaciales

Los polímeros autorreparables y nanocompuestos son materiales innovadores que han avanzado significativamente la industria aeroespacial. También han sido objeto de una investigación importante por sus aplicaciones en electrónica, baterías, biomedicina y otros campos técnicos. 

Aunque los materiales autorreparables existen desde hace siglos, ha habido un notable aumento de la innovación en este campo durante las últimas décadas, lo que ha llevado al desarrollo de materiales sintéticos autorreparables.

Estos materiales pueden encontrarse en diferentes formas, según su química única, incluyendo polímeros termoplásticos, polímeros termoestables, elastómeros, polímeros con memoria de forma, composites de polímeros y nanocompuestos. 

Dependiendo de su capacidad, estos materiales a menudo se denominan materiales autorreparables intrínsecos, que dependen de enlaces químicos o movilidad molecular dentro del propio material, o materiales autorreparables extrínsecos, donde agentes de curado externos se activan al producirse daño.

Los polímeros se consideran particularmente importantes en aplicaciones estructurales debido a su asombrosa capacidad para reparar daños estructurales. Esto se logra mediante la movilización de la cadena de polímeros y el entrecruzamiento.

En la industria aeroespacial, los nanocompuestos autorreparables son particularmente útiles para estructuras diseñadas, adhesivos, motores, fuselajes y recubrimientos. Los nanocompuestos autorreparables se fabrican incorporando nanopartículas en polímeros. Por su capacidad de reparar daños de forma reversible, los polímeros termoestables y termoplásticos se refuerzan con nanopartículas de nano‑carbono.

Los nanorellenos aumentan aún más el efecto autorreparador de los nanocompuestos. El tipo y contenido del nanorrelleno son factores esenciales para iniciar el efecto autorreparador.

Tradicionalmente, se utilizaban materiales cerámicos y metálicos para desarrollar los motores. Sin embargo, más recientemente, los materiales poliméricos y los composites se han utilizado cada vez más en motores a reacción resistentes a altas temperaturas. Este cambio tiene una buena razón, ya que los materiales compuestos resisten mejor los daños estructurales por impacto o falla.

Con fibras cerámicas capaces de soportar temperaturas muy altas, los nanocompuestos autorreparables se han utilizado para producir componentes fijos y móviles de motores a reacción. Estos nanomateriales también se han encontrado resistentes a la presión, al daño y a la corrosión, lo que contribuye a mejorar la eficiencia del motor.

La investigación en curso sobre polímeros autorreparables muestra potencial para materiales que puedan soportar altas presiones, temperaturas e impactos, mejorando sustancialmente la durabilidad de estructuras espaciales. Incluso podríamos ver en el futuro el desarrollo de nanocompuestos de nanocarbono que detecten daños en estructuras aeroespaciales, aunque eso requeriría nuevos agentes de curado con una eficiencia autorreparadora superior.

Curiosamente, en el mundo de los materiales autorreparables, el Dr. Kunal Masania, profesor asociado de estructuras y materiales aeroespaciales en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, desarrolló “materiales vivos” para su uso en el sector aeroespacial. Estos materiales vivos contienen microorganismos como bacterias y hongos, lo que les otorga la capacidad de autorrepararse. 

El equipo eligió hongos por su capacidad de tolerar condiciones adversas y su relativa facilidad de cultivo. Las células fúngicas también pueden conectarse, lo que significa que al distribuir solo unas pocas células por el material, pueden reconectarse y formar una red sensora. Estos materiales vivos se producen realmente mediante un método especial de impresión 3D y una nueva tinta de impresión 3D.  

Este desarrollo se realizó como parte de un proyecto de cinco años, AM-IMITE, que recibió una subvención de la Unión Europea. Según Masania:

“(El objetivo del proyecto es) crear estructuras diseñadas que puedan comportarse como organismos vivos, capaces de percibir y adaptarse a tensiones mecánicas.”  

Al usar materiales biológicos autorreparables, no solo se puede mejorar la durabilidad y el rendimiento de las estructuras críticas utilizadas en el sector aeroespacial, sino que también puede ser sostenible. El equipo de AM-IMITE está explorando actualmente el uso de composites como material principal para los interiores de aviones.

“Nuestros materiales son muy ligeros y más sostenibles que los materiales actualmente utilizados”, dijo Masania, añadiendo que reemplazar el plástico y el metal significa que no tendremos que depender de combustibles fósiles. Además, “los componentes de la aeronave podrían desmantelarse y devolver a la naturaleza”, afirmó.

Pero eso no es todo. El equipo incluso ve sus materiales vivos como la base de nuevos hábitats “en otros planetas” utilizando materiales locales y uniéndolos con hongos.

Empresas líderes en tecnología aeroespacial

Si observamos las empresas que operan en la industria aeroespacial, varios actores clave están impulsando la tecnología, incluidos General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) y Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), uno de los mayores contratistas de defensa del mundo, también es prominente en este ámbito. Conocida por sus aviones de combate, sistemas de misiles y tecnologías de exploración espacial, Lockheed Martin ha desarrollado un software de telecomunicaciones basado en IA llamado Callisto en colaboración con Amazon (AMZN ) y Cisco para mejorar la eficiencia y la conciencia situacional a bordo de naves espaciales. Recientemente, adquirió el proveedor de soluciones satelitales Terran Orbital en una operación de 450 millones de dólares.

Boeing es otro actor importante en el sector aeroespacial comercial y militar. La compañía está bajo intenso escrutinio por problemas de control de calidad, problemas continuos con sus aviones 737 Max, preocupaciones de seguridad y la competencia de Airbus.

Airbus está principalmente involucrada en el diseño y fabricación de aviones comerciales. Para reducir las emisiones de CO₂ de sus productos, la compañía está desarrollando materiales bio‑derivados para la producción de aviones. Para ello, la empresa está investigando alternativas a las fibras de carbono derivadas de combustibles fósiles que se utilizan en la construcción de componentes como alas o cascos de fuselaje.

Ahora, profundicemos en un par de nombres destacados:

#1. Raytheon Technologies

Enfocada en aviónica, electrónica de defensa y sistemas de misiles, en 2020, Raytheon completó su fusión con United Technologies para formar el proveedor de sistemas aeroespaciales y de defensa más avanzado del mundo.

A medida que la compañía continúa ofreciendo sus productos y experiencia a nivel global, algunos desarrollos notables este año incluyen:

• Ser elegida por DARPA para sensores ópticos cuánticos utilizados en aplicaciones de imágenes.
• Presentar MAYA como el futuro de los viajes aéreos premium.
• Invertir 200 millones de dólares en Spokane para impulsar el crecimiento manufacturero.
• Completar la prueba de Evaluación de Capacidad de Tripulación de su traje espacial de próxima generación para la Estación Espacial Internacional.
• Obtener un contrato de 344 millones de dólares para modernizar la unidad electrónica del programa de desarrollo de misiles.

Al momento de escribir, las acciones de Raytheon (RTX:NYSE) cotizan a 118,35 $, con un aumento del 40,66 % en lo que va del año. La capitalización de mercado de la compañía es de 157,43 mil millones de dólares, y su rendimiento de dividendo es del 2,13 %.

Para el segundo trimestre de 2024, la compañía informó 19,7 mil millones de dólares en ventas, un aumento del 8 % respecto al año anterior, mientras que su flujo de efectivo operativo fue de 2,7 mil millones de dólares. Raytheon señaló una cartera de pedidos de 206 mil millones de dólares, incluidos 129 mil millones de dólares en el sector comercial y 77 mil millones de dólares en defensa. El BPA ajustado fue de 1,41 $, un 9 % más que el año anterior.

“RTX entregó un sólido desempeño operativo en el segundo trimestre, con un crecimiento orgánico de ventas del 10 %, expansión del margen ajustado en los tres segmentos y 2,2 mil millones de dólares en flujo de caja libre.”

– Presidente y CEO de RTX, Chris Calio

También señaló que, con la cartera de pedidos y la “demanda sin precedentes en nuestro portafolio”, están enfocados en invertir en tecnologías y capacidades innovadoras.

#2. Northrop Grumman

Especializada en defensa y aeroespacial, Northrop Grumman (NOC ) es reconocida por su trabajo en sistemas no tripulados, ciberseguridad y sistemas espaciales avanzados, incluido el Telescopio Espacial James Webb. La compañía también está desarrollando el bombardero B‑12 y el programa Sentinel. Además, Northrop Grumman colabora con SpaceX de Elon Musk en un sistema de satélites espía de EE. UU., se asocia con EpiSci en capacidades avanzadas de autonomía y apoya el plan de defensa a largo plazo de Noruega a través de su trabajo con Andøya Space.

Al momento de escribir, las acciones de Northman cotizan a 504,87 $, con un aumento del 7,85 % en lo que va del año, lo que sitúa la capitalización de mercado de la compañía en 73,83 mil millones de dólares. Paga un rendimiento de dividendo del 1,63 %. Para el segundo trimestre de 2024, la compañía informó un aumento del 6,7 % en ingresos, alcanzando 10,22 mil millones de dólares. El trimestre registró más de 1,11 mil millones de dólares en flujo de caja libre, mientras que los gastos incluyeron alrededor de 3 mil millones de dólares en I+D y 1,8 mil millones de dólares en gastos de capital. El BPA de Northrop superó las estimaciones en un 7,6 %, situándose en 6,36 $.

La compañía ha proyectado un crecimiento sólido en sus divisiones, particularmente en aeronáutica, sistemas de armas y electrónica avanzada. Se espera una ligera disminución en su segmento espacial el próximo año debido a la cancelación de un programa, pero se anticipa que el crecimiento se reanude después de eso. Al reconocer las limitaciones de la cadena de suministro, específicamente en la obtención de perclorato de amonio para motores de cohetes sólidos, la directora ejecutiva Kathy Warden mencionó que están trabajando con la Fuerza Aérea para reducir costos.

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Conclusión

El mercado aeroespacial actualmente se sitúa alrededor de los 300 mil millones de dólares. Aunque disminuyó brevemente durante la pandemia de COVID‑19, se espera que supere los 460 mil millones de dólares para 2028. Mientras tanto, los ingresos del mercado de fabricación de piezas aeroespaciales se proyecta que superen los 1 230 mil millones de dólares al final de esta década.

Dado el crecimiento que está experimentando la industria, la innovación tecnológica avanza a un ritmo rápido. Desde aviones más eficientes mediante sistemas de propulsión eléctrica, la creación de materiales compuestos avanzados y los avances en IA y tecnología de sensores para lograr aviones totalmente autónomos, hasta la investigación y adopción de combustibles de aviación sostenibles (SAF), que son derivados de fuentes renovables, está ocurriendo mucho y, en conjunto, estas innovaciones pueden generar cambios significativos que moldearán el futuro de la aeroespacial.

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