Historical Society Blog: AEROMETALES

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AEROMETALES

No pueden faltar en la formación de todo chorlito que se precie algunos conocimientos sobre las materias primas con las que se construyen los aviones. Los materiales son una de las cosas que hoy en día están evolucionando más rápidamente, y los humanos tienen puestas grandes esperanzas en esa evolución para conseguir su objetivo más apremiante: reducir el peso de los aviones, o, lo que es lo mismo, sacar más tajada, como ya sabemos. En esta ocasión nos centraremos en los tres metales más utilizados en aeronáutica: el aluminio, el titanio y el acero.

En realidad, los avances en aeronáutica siempre han ido ligados a lo que los humanos han ido aprendiendo sobre materiales, y, en particular, sobre los metales. De hecho, todos los avances tecnológicos de la historia de la humanidad han estado íntimamente relacionados con ellos, desde que algún sujeto inspirado descubrió que había algunas rocas con las que se podían hacer muchas cosas (distintas de arrojarlas a la crisma de sus congéneres, se entiende). Los metales tienen unas propiedades muy particulares, entre ellas muy buenas características mecánicas (resistencia, tenacidad, dureza…), lo que los ha convertido en imprescindibles en casi todos los campos de la tecnología.

Sin embargo, la mayoría de ellos tienen una densidad muy alta, lo que en un principio los hizo poco menos que inservibles en lo que se refiere a la estructura de los aviones. El aluminio es uno de los pocos metales que cumplen los requisitos de densidad y resistencia, aunque realmente no se pudo usar de forma eficaz hasta que se diseñó la estructura semimonocasco, de la que ya hemos hablado anteriormente. Aunque ya el primer avión de la historia, el Flyer de los hermanos Wright, llevaba un motor de cuatro cilindros con cárter de aluminio.

El aluminio, aunque hoy en día parezca increíble (los humanos lo utilizan diariamente y para miles de cosas, hasta para envolver los bocadillos), fue en su momento uno de los metales más caros que existían, más incluso que el oro, debido a lo dificilísimo que era de obtener en estado puro (lo que, por supuesto, lo convirtió inmediatamente en un símbolo de riqueza que los más adinerados exhibían con ostentación); todo esto a pesar de ser el elemento más abundante en la corteza terrestre.

Por suerte para todos aquellos humanos que no habían invertido en aluminio, hacia finales del siglo XIX se descubrió y puso en marcha el proceso electrolítico Hall-Héroult, que lo abarató considerablemente y hoy en día es el método de obtención más utilizado. Probablemente sin este descubrimiento la aeronáutica habría evolucionado de forma muy diferente, y es posible que los aviones siguieran aun hoy haciéndose de tela y madera, y hasta incluso pudiera ser que los cielos siguieran perteneciéndonos a nosotros... Lástima.

Aunque ahora están empezando a ser desplazados por los materiales compuestos, el aluminio y sus aleaciones han dominado la industria aeronáutica durante casi toda su historia, hasta el punto de que fue considerado un material estratégico durante la Segunda Guerra Mundial (razón por la cual el famoso «Spruce Goose» de Howard Hughes es de madera). El aluminio puro es muy ligero y resiste muy bien la corrosión, pero en cuanto a resistencia mecánica deja un poco que desear. Por ello en aeronáutica se utilizan más sus aleaciones con otros metales, que, aunque en general son de mayor densidad, mejoran considerablemente algunas propiedades en función de los componentes de la aleación. Se utilizan sobre todo las aleaciones aluminio-cobre (2024), que tienen alta resistencia mecánica y a fatiga, pero son muy sensibles a la corrosión, y aluminio-zinc (7075), que son las que mejores propiedades mecánicas tienen, alcanzando niveles de resistencia parecidos a los del acero, aunque también son algo vulnerables frente a la corrosión.

Sin embargo, las aleaciones de aluminio no son la panacea universal, ni mucho menos. Uno de los mayores problemas que tienen es que no toleran las altas temperaturas (siempre que se puede se evitan las soldaduras, y las uniones suelen hacerse con remaches o adhesivos). Por ello, en lugares como los motores, donde se alcanzan fácilmente temperaturas y presiones muy altas, son necesarios otros materiales que varían en función de la zona del motor.

Hasta los 600 ºC trabajan muy bien las aleaciones de titanio, por lo que, por su alta resistencia mecánica y su ligereza, se las utiliza en el fan y el compresor de los reactores. Para los álabes de las turbinas, que al estar tras la cámara de combustión pueden llegar a alcanzar los 1400 ºC, se utilizan aleaciones basadas en níquel y diversos sistemas de refrigeración, a pesar del aumento en peso que esto supone.

Materiales para las distintas partes de un reactor

El titanio es un metal caro, aunque quizá no tanto como lo fue en su día el aluminio; pero exactamente por la misma razón. Es el noveno elemento más abundante de la corteza terrestre (0,9%), el cuarto entre los metales, así que la cantidad de materia prima no es un problema. Extraerlo a partir de los óxidos en los que se presenta en la naturaleza ya es otra cuestión, y hasta que ocurra algo parecido a lo que pasó con el aluminio, y debido a su fuerte demanda, seguirá siendo un elemento que haya que usar con moderación.

Y es que los humanos han encontrado muchísimas aplicaciones para el titanio. La industria aeroespacial ha sido y es su principal impulsora, pero su alta resistencia a la corrosión y al ataque químico, su ligereza y sus propiedades mecánicas similares a las del acero hacen que se utilice en reactores nucleares, barcos, coches y mil sitios más. Entre otras cosas, con él se fabrican piezas de repuesto para los propios humanos -o prótesis, como las llaman ellos-, ya que es uno de los pocos metales que el organismo tolera sin problemas (es biocompatible). Y también se utiliza con motivos estéticos no del todo justificables (algo por otra parte común cuando los humanos se meten en lo que ellos llaman «arte»).

El acero (hierro + carbono) es en general demasiado denso para utilizarlo extensivamente en los aviones, aunque de hecho sí que se utiliza en algunos puntos. Es el caso del tren de aterrizaje, donde la alta resistencia al impacto que se necesita se impone al ahorro de peso. Dicho acero (ojo, que no vale cualquiera: tiene que ser de alta resistencia) permite hacer estructuras muy robustas con poco material, así que su alta densidad se ve compensada en parte por este hecho, y de este modo se minimiza el espacio que ocupa el tren en la bodega del avión. Aun así, sólo el tren de aterrizaje supone un porcentaje importante del peso total de la aeronave, y una fuente de quebraderos de cabeza para los diseñadores. En el caso del X-15, por ejemplo, se utilizaron patines en lugar de ruedas con el único objetivo de ahorrar peso.

Detalle del tren de aterrizaje del An-225

De modo que el esquema de la composición de un avión típico, en líneas generales, es el siguiente: aleaciones de aluminio para la estructura y el revestimiento de las alas y el fuselaje, titanio en los álabes del compresor y otras piezas sometidas a altas temperaturas en los motores (o en las alas y el fuselaje de los aviones supersónicos), acero de alta resistencia para el tren de aterrizaje y otras zonas puntuales, y un porcentaje que depende del tipo de avión y, sobre todo, de la época en que se haya construido, de materiales compuestos en los lugares donde no haya esfuerzos muy grandes (un porcentaje que tiende a ser cada vez mayor). Más algunos otros materiales, aleaciones ligeras o de alta resistencia térmica, allí donde los anteriores no se puedan utilizar.