Imagínese que está conduciendo hacia el trabajo en un día lluvioso, cuando un conductor distraído e imprudente golpea su auto de la nada. Con un “boom”, una bolsa de aire se despliega más rápido de lo que usted puede parpadear para salvarle la vida.
Esa bolsa de aire se desplegó rápidamente gracias a un material energético llamado azida de sodio, que genera gas nitrógeno durante una reacción química para inflar la bolsa de aire. Pero ¿qué es un material energético?
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Imagínese que está conduciendo hacia el trabajo en un día lluvioso, cuando un conductor distraído e imprudente golpea su auto de la nada. Con un 'boom', una bolsa de aire se despliega más rápido de lo que usted puede parpadear para salvarle la vida
Los materiales energéticos incluyen propulsores, pirotecnia, combustibles y explosivos, y se utilizan en todo tipo de entornos.
Como profesor de ingeniería mecánica que estudia materiales energéticos, puedo decir que fabricar materiales energéticos no es fácil, aunque los avances en la impresión 3D podrían facilitar la personalización y permitir al mismo tiempo más aplicaciones científicas potenciales.
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El papel de la geometría
La forma en que se fabrican los materiales energéticos afecta las formas que adoptan y cómo liberan energía con el tiempo. Por ejemplo, los propulsores sólidos para cohetes se elaboran de manera similar a un pastel en el que una batidora revuelve la “masa”, que está hecha principalmente de perclorato de amonio, aluminio y un aglutinante gomoso, antes de verterla en una sartén. El “pastel” se solidifica en el molde mientras se cuece en el horno.
Normalmente, los propulsores de cohetes tienen forma cilíndrica, pero con una varilla en el centro. La varilla suele tener una forma de sección transversal específica, como un círculo o una estrella. Cuando el propulsor se solidifica, se retira la varilla, dejando atrás la forma del núcleo.
La forma del núcleo afecta la forma en que se quema el propulsor, lo que puede afectar el empuje del motor en el que se utiliza. Con solo cambiar la forma central del propulsor, puedes hacer que un motor acelere, desacelere o mantenga su velocidad con el tiempo.
Pero este proceso tradicional de “hornear pasteles” limita las formas que puedes hacer. Debe poder quitar la varilla después de que el propulsor se solidifique, por lo que si la forma de la varilla es demasiado compleja, podría romper el propulsor, lo que podría hacer que se queme de manera errática.
Diseñar formas de propulsores que hagan que los cohetes vayan más rápido o vuelen más lejos es un área de investigación activa, pero los ingenieros necesitan nuevos métodos de fabricación para crear estos diseños cada vez más complejos.
La impresión 3D al rescate
La impresión 3D ha revolucionado la fabricación de diversas formas y los investigadores como yo estamos tratando de comprender cómo puede mejorar el rendimiento de los materiales energéticos. La impresión 3D utiliza una impresora para apilar material capa por capa para construir un objeto.
Esta tecnología permite crear formas personalizadas, imprimir varios tipos de material en una sola pieza y ahorrar dinero y material.
Muchos investigadores están investigando los propulsores de armas de impresión 3D. Modificar la forma de los propulsores de las armas podría generar balas que puedan volar más lejos.
Otros han tratado de utilizar la impresión 3D para reducir el impacto ambiental de los propulsores y encendedores de armas que requieren solventes fuertes para su fabricación. Estos disolventes son peligrosos, difíciles de eliminar y pueden dañar el medio ambiente y la salud de las personas.
Recientemente demostré que es posible imprimir en 3D propulsores sólidos para cohetes que tienen propiedades similares a las de los propulsores fabricados tradicionalmente. Con esa investigación, ahora tenemos la oportunidad de explorar cómo arden los propulsores hechos de múltiples materiales, lo cual es un territorio nuevo.
Por ejemplo, en lugar de utilizar una varilla para crear una forma transversal en un propulsor, se podría imprimir en 3D un material altamente reactivo que se podría agregar al centro. En lugar de tener que quitar ese material central, podrías quemarlo tan rápido que deje una forma central. El material reactivo también añadiría energía al propulsor. Esto eliminaría la necesidad de utilizar y retirar una varilla para fabricar un núcleo central.
Si bien gran parte de esta investigación está en sus inicios, empresas como X-Bow han estado imprimiendo propulsores en 3D y realizando pruebas de vuelo exitosas con estos motores.
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Finalmente, varios investigadores han estudiado cómo detonan los explosivos impresos en 3D. Cuando los explosivos se imprimen en una red en forma de rejilla, reaccionan de manera diferente cuando sus poros se llenan de aire o agua. Este proceso produce un explosivo "conmutable" más seguro que no reacciona a menos que esté en un entorno específico.
La impresión 3D de materiales energéticos sigue siendo un campo nuevo. Los científicos tienen un largo camino por recorrer antes de que comprendamos completamente cómo la impresión 3D afecta su seguridad y rendimiento. Pero todos los días, científicos como yo encontramos nuevas formas de utilizar la energía impresa en 3D para propósitos cruciales y, a veces, salvadores de vidas.
Profesora asistente de ingeniería mecánica, Universidad Purdue.