Los aerogeles: la nanotecnología al espacio ultraterrestre y más allá

Blog original en inglés por Merve Dogangun
Traducido por Scott Miller

Los humanos han estado soñando con viajes espaciales desde edades tempranas. Como tal vez recuerde de las primeras líneas de Star Trek, a la humanidad le ha sido fascinante “explorar nuevos mundos extraños, buscar nueva vida y nuevas civilizaciones, ir con valentía por donde nadie haya pasado antes” (cita original en inglés).

Sin embargo, la exploración del espacio supone muchos desafíos, incluso los ambientes extremos que la nave espacial tiene que tolerar. Las variaciones en la gravedad, la radiación solar y los ambientes químicamente distintas son escollos que pueden tener un alto impacto en las operaciones de las máquinas. Una vez que la nave espacial está fuera de la atmósfera, también experimenta fluctuaciones increíbles en la temperatura que no se observan en la Tierra (¡gracias, atmósfera!). Todavía en la Luna, la temperatura puede oscilar desde los -250° F (-157° C) de noche a los +250° F (+121° C) cuando el sol brilla sobre la superficie.1

Las naves espaciales

Las naves espaciales tienen que aguantar los ambientes extremos fuera de la protección de las atmósferas planetarias. (imagen modificada de Cronus Caelestis)

Debido a las grandes diferencias de temperatura que se experimenta en un vuelo espacial, se ha llevado a cabo investigaciones significantes, predominantemente en NASA,2 para desarrollar materiales aislantes que puedan tolerar las temperaturas extremas. Afortunadamente, cerca del principio del siglo XX, la tecnología por fin se puso al día con la imaginación, y un viaje al espacio ya no era solo un sueño de la ciencia ficción.

Ya en 1930, los científicos desarrollaron un “humo azul enigmático”3 que aclaró las exploraciones espaciales. Este material, llamado aerogel (también conocido como “humo congelado” o “aire sólido”), se produjo inicialmente por deshidratar un gel mientras mantener fija su forma. Imagine tratar de quitar el líquido de su postre de Jell-O® mientras mantiene la forma – ¡esto es difícil ya que el 85% es agua! Cuando los investigadores finalmente tuvieron éxito en reemplazar la fase líquida de un gel con gas, descubrieron que estos aerogeles tenían una forma similar a una esponja de cocina. Pero a diferencia de una esponja, que tiene los poros (burbujas de aires) medidos en términos de milímetros, los aerogeles tienen los poros que son un millón de veces más pequeños, medidos en nanómetros.4

un aerogel de sílice

El científico Peter Tsou agarra un aerogel de sílice (imagen de NASA/JPL-Caltech)

Hoy en día, hay una colección entera de aerogeles que tienen composiciones diferentes y exhiben características diferentes. Los aerogeles de sílice, como él arriba, son los más comunes. Están compuestos de partículas de dióxido de sílice (se hace el vidrio del mismo compuesto) que se interconectan para formar un sistema poroso. El aspecto turbio de un aerogel de sílice se debe a los poros a nanoescala en la estructura. Para comprender la razón, recordemos cómo vemos los colores. La luz solar (y la luz de una bombilla típica) consiste en todos los colores del arco iris y viaja en ondas. Cuando la luz llega a una superficie, puede rebotar, ser absorbida o pasar por ella. Cuando ondas de ciertas longitudes rebotan y llegan a nuestros ojos, percibimos el color de la superficie basado en esas longitudes de onda. (Para refrescarse la memoria más detalladamente en este sujeto, vaya a nuestra entrada (en inglés), “¿Qué es color y cómo puede ayudar en matar las células de cáncer?”)

Las diferentes longitudes de onda

Las diferentes longitudes de onda pueden 1) rebotar en o reflejar desde el paraguas, 2) ser absorbidas por el paraguas y calentarlo o 3) pasar por el paraguas. (imagen por Mimi Hang)

Cuando la luz llega a la superficie de un aerogel, se dispersa por los poros minúsculos, que son más pequeños que las longitudes de onda de la luz. La luz con longitudes más cortas se dispersa más porque es más similar al tamaño de los poros. La luz azul tiene longitudes más cortas que la luz roja, y por eso la luz azul se dispersa más, resultando en el color azul del aerogel. Este fenómeno se llama “dispersión de Rayleigh y ¡es el mismo fenómeno que causa el aspecto azul del cielo!5

La luz azul

La luz azul (longitud de onda más corta) se dispersa más que la luz roja (longitud de onda más larga) por los poros de aerogeles. Por eso, ¡azul es lo que vemos cuando miramos un aerogel! (imagen por Merve Doğangün)

Además de sus interacciones interesantes con la luz, los aerogeles exhiben otras propiedades sorprendentes en la nanoescala. El aerogel es un material poroso (como una esponja) donde el 97-99% consiste solo en aire. Las burbujas de aire en su estructura sirven de aislantes ya que el aire no conduce bien el calor. Los materiales que conducen bien el calor incluyen los metales, mientras que el aire, la madera y la goma lo conducen mal. Ésta es la razón que tal vez se usaría una percha de metal para tostar los malvaviscos, pero use un mango de madera al final para cocinarlos y no sus dedos. La conductividad térmica baja de ellos es la razón que los aerogeles son buenos materiales aislantes.

Además, ya que la estructura sólida solo constituye el 1-3% del aerogel por volumen mientras el resto es aire, los aerogeles son materiales muy ligeros. Hoy en día, un aerogel de grafeno tiene el récord mundial de Guinness por ser el sólido con la densidad más baja en la Tierra, o sea, ¡tiene la masa más baja por el espacio que se ocupa!6 Sin embargo, debido a su estructura sólida, los aerogeles son materiales fuertes si el fuerzo se aplica uniformemente.

El aerogel

El aerogel es un material de solidez alta y peso bajo y es un aislante excelente. A la izquierda, 0,07 onzas de aerogel soportan un ladrillo de 5,5 libras (imagen de NASA/JPL-Caltech). A la derecha, un trozo de aerogel protege una flor de la llama de un mechero Bunsen (imagen por NASA/JPL)

Los aerogeles con estas propiedades únicas y capacidades aparentemente “mágicas” han encontrado aplicaciones grandes en las exploraciones del espacio.

La captura de polvo cósmico

El aerogel fue usado por primera vez para capturar las partículas interestelares de polvo del cometa Wild 2 por la misión Stardust para la colección de muestras.7 La colección y el análisis de estas partículas congeladas fueron importantes porque se esperaban contener los materiales que formaron nuestro sistema solar. Para coleccionar las muestras, la misión Stardust usó un colector que tenía dos cuadros con frentes a direcciones opuestas. La estructura de metal de forma parecida a una raqueta de tenis contenía 130 células de aerogel de sílice de volúmenes diferentes para formar una gradiente de densidad entre los cuadros.8 Las partículas de alta velocidad chocaron primeramente al aerogel de densidad baja, y a medida que penetraban por el material, el aumento en la densidad redujo la velocidad de las partículas y, finalmente, las atrapó en el colector. Esto funcionó como una serie de filtros con agujeros progresivamente más finos por los que pasarían las partículas. Se trajeron las muestras coleccionadas con daño mínimo a la Tierra para más análisis.

El colector de polvo

El colector de polvo, el Stardust Aerogel Matrix, similar a una raqueta de tenis” (imagen de Dutch Slager)

El aislamiento térmico de naves espaciales

Ya que los aerogeles son tan buenos aislantes térmicos debido a las burbujas de aire en su sistema poroso, son usados en el aislamiento de naves espaciales. Se empaquetan los aerogeles en cajas compuestas que se llaman “Warm Electronics Boxes” (cajas electrónicas acaloradas) para proteger las baterías, los sistemas electrónicos o las computadoras del frío extremo del espacio sideral.8 Después de su uso exitoso en la misión Pathfinder a Marte, el aerogel se empleó en otras misiones de vehículos terrestres por Marte para que las máquinas pudieran resistir las fluctuaciones relativamente grandes en el ambiente duro del planeta rojo.

Sojourner

Mars Exploration Rover Sojourner (imagen de NASA)

La contención de líquidas a las temperaturas muy bajas

Con sus excelentes propiedades aislantes, los aerogeles también tienen un papel importante en el almacenamiento de los líquidos criogénicos en los trasbordadores espaciales. Los trasbordadores espaciales consumen el hidrógeno el oxígeno líquidos como combustibles. Estos son fluidos criogénicos, o sea, tienen que almacenarse muy fríos: el hidrógeno a los -253°C (-423°F) y el oxígeno a los -183°C (-297°F) para que permanezcan líquidos. Las formulaciones de aerogeles recientemente propuestas ofrecen capacidades no solamente de formarse en cilindros y trapezoides para la transferencia y el almacenamiento de los líquidos criogénicos, sino también de hacerse resistentes a la corrosión ambiental.8

Hay muchas otras aplicaciones de los aerogeles en la exploración espacial, incluso trajes espaciales resistentes al fuego que proporcionan aislamiento del ambiente extremo y aerocondensadores que usarían el área superficial de aerogeles de carbono para mejorar los aparatos de almacenamiento de energía.9

Esta tecnología no se limita a las aplicaciones espaciales, pero también comienza a usarse en el aislamiento de edificios y en la ropa al aire libre. Ahora, ¡puede comprar una chaqueta de aerogel chic por $300! Recientemente, OROS operó una campaña de Kickstarter para apoyar las cosas de aerogeles incluso las chaquetas, los guantes y los pantalones de nieve.

Científicos por todo el mundo están trabajando para mejorar las propiedades de los aerogeles. Están usando materiales y composiciones diferentes para formar aerogeles más fuertes, más flexibles y más ligeros. Aunque los altos costos de producción aún limitan el desarrollo de la tecnología de aerogeles,10 no cabe duda alguna que estos materiales increíbles con propiedades asombrosas serán disponibles más ampliamente en breve en un producto estará usando usted.


RECURSOS INFORMATIVOS (en inglés)


REFERENCIAS

  1. Benson, T. Moon, [NASA website]. 2014, retrieved from  https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/education/rocket/moon.html
  2. Woods, T. Aerogels: Thinner, Lighter, Stronger. 2011, retrieved from http://www.nasa.gov/topics/technology/features/aerogels_prt.htm
  3. NASA/JPL. Aerogel Fact Sheet. JPL 400-1119 9/03.
  4. Aerogel.org. How is Aerogel Made? [n.d.] retrieved from http://www.aerogel.org/?p=4 
  5. Erickson, K. Why is the Sky Blue? NASA SpacePlace [website]. 2016, retrieved from http://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/
  6. Guiness World Records. Least Dense Solid. 2013, retrieved from http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/least-dense-solid
  7. Whalen, A. Catching Comet Dust. Stardust: NASA’s Comet Sample Return Mission [website]. 2005, retrieved from http://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html
  8. Bheekhun, N., Talib, A., & Hassan, M. Aerogels in Aerospace: An Overview. Advances in Materials Science and Engineering, 2013, 1-18,  doi: 10.1155/2013/406065
  9. Sasidharan, B., Kale, B., & Murugan, A. Inorganic materials for use in high energy density batteries in capacitors for electronic publications. In Bahadur, D., Vitta, S., & Prakash, O. (eds). Inorganic Materials, Recent Advances. New Delhi: Narosa Publishing House. pp 56-60.
  10. Technavio.com. Aerogel Market Definition and Growth Prospect. [website, n.d.] Retrieved fromhttp://www.technavio.com/report/aerogel-market-2015-2019-global-trends-forecasts-vendor-analysis

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