Revolución en aerodinámica: un prototipo para transformar el aeroespacial

Cada año, la Escuela de Ingenierías Industrial, Informática y Aeroespacial de la Universidad de León premia la creatividad, el emprendimiento y la aplicación práctica de conocimientos de sus estudiantes a través de una Exposición-Concurso de Prototipos. Una cita donde los participantes hacen gala de su ingenio y talento. En la última edición, siete proyectos fueron reconocidos, entre los que destacaron el prototipo diseñado por Óscar Mayo, un accesorio para bicicletas diseñado para el transporte de objetos personales ligeros y el proyecto del equipo D. R. A.G., compuesto por los estudiantes de cuarto curso del Grado en Ingeniería Aeroespacial Guillermo Alba Buitrón, Christian González Pérez, Alejandro Gil Getino y Luis García Aparicio, quien obtuvo uno de los accésits.

Su prototipo consiste en un demostrador de tecnología que aplica la rugosidad deliberada en superficies aerodinámicas, con el objetivo de incrementar la eficiencia de vuelo. Se trata de un sistema superficial diseñado para aumentar la resistencia aerodinámica de aeronaves espaciales, como las cápsulas de reentrada, con el fin de reducir la velocidad terminal y el peso necesario para los paracaídas, facilitando aterrizajes más seguros.

El prototipo fue concebido a partir del principio aerodinámico de las pelotas de golf. Estos objetos utilizan hoyuelos para generar una capa límite turbulenta que reduzca la resistencia del aire para permitir que la pelota vuele más lejos. No obstante, su proyecto busca el efecto opuesto: aumentar la resistencia mediante la aplicaciones de patrones superficiales análogos con el objetivo de lograr una mayor capacidad de frenado.

«Esta idea nos surgió en una llamada y empezamos poco a poco a investigar si había precedentes en el ámbito educativo o algún estudio sobre esas técnicas y no encontramos bibliografía. Entonces procedimos a intentar hacer alguna simulación para probar que esto sería posible y, desde el primer momento, pensamos en las pelotas de golf. Básicamente, la técnica es la misma, pero por el tamaño que tienen las pelotas de golf y la velocidad a la que trabajan, hacen el efecto contrario al que buscábamos nosotros. Con otros patrones superficiales, conseguimos aumentar el frenado», relata Christian González, uno de los autores del proyecto.

El desarrollo fue el resultado del trabajo autónomo de los estudiantes a través de simulaciones por ordenador. «Estuve haciendo las simulaciones en CFD (Computer Fluid Dynamics, dinámica de fluidos computacional en español), y nos dieron buenos resultados. Con nuestra propuesta, el drag, conocido como resistencia aerodinámica, aumentaría bajo ciertas condiciones, e incluso, podríamos incrementarlo hasta el doble. Esto es bastante prometedor, aunque debemos de probarlo en instalaciones físicas como los túneles de viento. Para ese caso, la Universidad dispone de medios y si este proyecto creciera, esperamos que ellos nos ayudasen a desarrollar la idea», detalla Guillermo Alba, otro de los creadores del prototipo.

A pesar de los buenos resultados que han obtenido con el prototipo, han tenido que superar importantes desafíos técnicos durante el desarrollo del proyecto, entre los que destacan las propias simulaciones.

«Las simulaciones en CFD se realizan en ordenadores, por lo que no hay nada físico. Se basan, sobre todo, en ecuaciones y modelos para determinar el comportamiento de los fluidos. Estas simulaciones son muy costosas debido a la gran cantidad de tiempo que se debe invertir. Además, son muy demandantes computacionalmente y producen errores, por lo que tienes que trabajar mucho y tener un muy buen ordenador. Para estos cálculos, son muy útiles los superordenadores, ya que generan simulaciones con un error muy pequeño y en poco tiempo», señala Alba.

Para poder validar estos resultados teóricos, los creadores enfatizan que sería necesario probarlo en el campo físico como en túneles de viento. «En un túnel de viento, tú mides lo que pasa y ya está. No tienes ningún error, salvo el que puedas realizar tú en la medición, pero es algo que puedes cuantificar, sabes que existe y puedes darle un valor. En aerodinámica, la mayoría de fórmulas que aplicamos los ingenieros son fórmulas empíricas, pero las cosas teóricas valen hasta cierto límite», recalca Alba.

Por otro lado, los materiales con los que se construye el prototipo son otra de las complicaciones del proyecto. Luis García señala que las superficies rugosas son difíciles de fabricar con las técnicas actuales y que la reentrada atmosférica expone los materiales a temperaturas extremadamente altas (miles de grados Celsius). «De momento, lo único que hemos conseguido es construirlo a través de la tecnología de impresión 3D, por lo que solo se podría hacer para superficies pequeñas, y habría que intentar escalarlo a sistemas más industrializados, como pueden ser, por ejemplo, máquinas de deformación de chapa, que se utilizan en los vehículos», afirma el creador.

Christian González añade que los materiales cerámicos, compuestos principalmente de carbono, son muy frágiles y que las técnicas actuales no permiten crear las rugosidades necesarias sin romperlos. Por ello, no es posible fabricar estos materiales con otras técnicas más sencillas. «Las aeronaves van muy rápido, ya que hablamos de unas velocidades de 25 veces la velocidad del sonido. En esas condiciones, se alcanzan temperaturas altísimas y ahora mismo es muy difícil crear superficies lisas que aguanten esas temperaturas, por lo que construirlas con superficies rugosas presentan aún más complicaciones. En un futuro podría llegar a ser posible realizar impresiones 3D de materiales cerámicos con la forma deseada y mucha precisión», explica.

Estas limitaciones implican que la implementación de esta tecnología está sujeta a la evolución de materiales que sean más ignífugos y resistentes a las altas temperaturas. Los estudiantes concuerdan que de lograrse esto, el retorno sería «altísimo», puesto que permitiría reutilizar componentes espaciales que actualmente se pierden en órbita.

Respecto a su participación en el concurso, los estudiantes señalan que ya habían competido en ediciones anteriores con otro prototipo, ya que suelen «moverse mucho en certámenes y estábamos mirando algunas opciones de de concursos de la Agencia Espacial Europea». Aunque cada uno planea un camino diferente para desarrollar su carrera profesional, los futuros ingenieros aseguran que quieren seguir formándose y seguir apostando por proyectos propios.