Encontrar La Fuerza Para Alcanzar Las Profundidades Más Profundas Del Océano

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Para sobrevivir en las profundidades aplastantes de los océanos profundos, los nuevos submarinos de investigación incorporan súper espumas de polímero de vidrio que son fuertes y ligeras, pero impermeables al agua.

Nikhil Gupta es profesor asociado y Steven Zeltmann es estudiante investigador de pregrado en el Laboratorio de materiales compuestos y mecánica del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Nueva York, Escuela Politécnica de Ingeniería. Los autores aportaron este artículo a WordsSideKick.com's. Voces de expertos: Op-Ed y Insights.

Las señales de radio que pueden haber estado emanando del registrador de vuelo del vuelo 370 de Malaysian Airlines marcaron el inicio de una nueva fase de búsqueda de la aeronave y sus pasajeros. Una vez que surgieron las señales, la investigación se expandió para incluir la exploración del fondo del océano para detectar la aeronave y recuperar la caja de bloques.

Se estima que la ubicación de la caja negra está a unos 15,000 pies (4,6 kilómetros) por debajo de la superficie del océano. La presión a tales profundidades en el océano es aproximadamente 455 veces la presión atmosférica al nivel del mar. Los restos del Titanic están ubicados a una profundidad de 12,500 pies (3,8 kilómetros) de profundidad, que tiene una presión de alrededor de 380 atm. Los 2,500 pies adicionales aumentan la presión en 75 atm. Además, la temperatura es de solo 34 a 40 grados Fahrenheit (1 a 4 grados Celsius) a tales profundidades.

Diseñar vehículos para la exploración a tales profundidades es un gran desafío. El vehículo de exploración de aguas profundas debe ser lo suficientemente ligero como para tener flotabilidad, pero debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar altas presiones sin implosionar.

Tanto los vehículos operados por humanos (HOV) como los vehículos operados a distancia se han construido para estudios oceanográficos, búsqueda de tesoros y operaciones de recuperación y rescate. Un ejemplo famoso de un HOV es el arte que se construyó para el famoso explorador y director de cine James Cameroon, buceando en solitario en la parte más profunda del océano, Mariana Trench. La estructura de su oficio, como la mayoría de los vehículos similares, estaba hecha principalmente de un nuevo material llamado "espuma sintáctica". [Into the Deep: Mariana Trench Dive de James Cameron (Infografía)]

Las espumas poliméricas son materiales porosos livianos, compuestos de poros llenos de aire en materiales poliméricos. Pero su peso ligero tiene dos desventajas principales: baja resistencia y alta absorción de agua, las cuales son altamente indeseables para la exploración en aguas profundas.

Un modelo de computadora en 3D que muestra partículas huecas dentro de un polímero. Los ingenieros hicieron el polímero transparente para revelar mejor cómo se distribuyen las partículas de vidrio hueco dentro del material.

Un modelo de computadora en 3D que muestra partículas huecas dentro de un polímero. Los ingenieros hicieron el polímero transparente para revelar mejor cómo se distribuyen las partículas de vidrio hueco dentro del material.

Crédito: Nikhil Gupta, NYU Poly

Una espuma ordinaria no solo sería aplastada por la presión de los mares profundos, sino que el agua puede entrar fácilmente en tales espumas (como en una esponja) causando que una embarcación se hunda. Las espumas sintácticas utilizan pequeñas partículas huecas para dispersar el aire en un polímero y convertirlo en una espuma liviana. El uso de partículas huecas proporciona la ventaja de que los poros no se conectan entre sí. Incluso si dichas espumas están dañadas, aún no absorben ninguna cantidad significativa de líquido ya que los poros no están interconectados. Las partículas huecas generalmente están hechas de vidrio y tienen diámetros en el rango de 4 diezmilésimas de pulgada a 4 milésimas de pulgada (0.01 a 0.1 milímetros), de 1 a 10 veces el diámetro de un cabello humano. Encerrar el aire dentro de la pequeña carcasa de vidrio hace que el material sea liviano y lo suficientemente fuerte para soportar esas altas presiones.

La estructura de una espuma sintáctica se puede visualizar en un modelo de computadora 3-D. Los investigadores analizan los modelos informáticos utilizando técnicas modernas, como los métodos de elementos finitos, para determinar las composiciones que funcionarán mejor bajo las altas fuerzas compresivas encontradas en la exploración en aguas profundas. Algunas de las composiciones prometedoras se fabrican y se prueban experimentalmente para garantizar que las espumas sintácticas tengan las propiedades que sugieren los análisis.

Si usted es un experto de actualidad, investigador, líder empresarial, autor o innovador, y desea contribuir con un artículo de opinión, envíenos un correo electrónico aquí.

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Cuando se ve bajo un microscopio electrónico, el material se ve como un conjunto de pequeñas bolas con el respaldo apretado. Dado que todas las bolsas de aire, los poros, están rodeados de vidrio, el agua no puede entrar en ellos. Esto significa que el material se puede usar bajo el agua durante largos períodos de tiempo sin romperse y hundirse. La adición de partículas huecas también hace que las espumas sintácticas sean más estables térmicamente, ya que no se encogen tanto como las espumas de polímeros cuando baja la temperatura.

Los investigadores están tratando de desarrollar continuamente nuevas espumas sintácticas que son más ligeras y fuertes para mejorar la capacidad de carga útil. En nuestro laboratorio, hemos desarrollado nuevos métodos para adaptar la densidad, la resistencia y el comportamiento de expansión térmica de las espumas sintácticas. Dichos métodos pueden generar espumas que proporcionan un alto rendimiento en los entornos desafiantes de la exploración en aguas profundas. El desarrollo de partículas de cerámica de alta resistencia, como carburo de silicio y alúmina, en lugar de vidrio, y el refuerzo de espumas sintácticas con fibras puede ayudar a mejorar su rendimiento.

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