Mecânica

Revolução nos materiais inteligentes para os aviões do futuro

Revolução nos materiais inteligentes para aviões do futuro
Uma chama se ergue da liga inteligente conforme ela é sintetizada no interior de um forno de arco voltaico. [Imagem: Dharmesh Patel]

Materiais inteligentes

Um novo grupo de materiais inteligentes promete melhorar a eficiência da queima de combustível nos motores de aviões, torná-los mais silenciosos e viabilizar estruturas futurísticas, como asas que mudam de formato em pleno voo.

Esses novos materiais metálicos terão aplicações adicionais em uma variedade de outras indústrias, como em músculos artificiais para robótica, por exemplo.

"O que me entusiasma é que mal arranhamos a superfície de algo novo que não só pode abrir um campo completamente novo de pesquisa científica, mas também permitir novas tecnologias," disse o professor Ibrahim Karaman, da Universidade do Texas, nos EUA.

Metal com memória de forma

A descoberta é baseada na junção de duas áreas relativamente novas da ciência dos materiais, ambas envolvendo ligas metálicas, ou metais compostos de dois ou mais elementos químicos.

A primeira área envolve as ligas com memória de forma, materiais inteligentes que podem mudar de uma forma para outra mediante gatilhos específicos, neste caso a temperatura - imagine uma haste de metal dobrada em um saca-rolhas; ao mudar a temperatura, o saca-rolhas se desenrola em uma haste e vice-versa.

Até agora, no entanto, as ligas de memória de forma de alta temperatura (HTSMAs) só funcionavam em temperaturas de até 400 graus Celsius. Adicionar elementos como ouro ou platina pode aumentar significativamente essa temperatura, mas os materiais resultantes ficam muito caros, entre outras limitações.

Ligas de alta entropia

O pesquisador Demircan Canadinc teve a ideia de tentar aumentar as temperaturas de operação das HTSMAs aplicando princípios de outra classe de materiais, as ligas de alta entropia, que são ligas metálicas compostas de quatro ou mais elementos misturados em quantidades aproximadamente iguais.

Ele criou materiais compostos de quatro ou mais elementos conhecidos por formar ligas com memória de forma (níquel, titânio, háfnio, zircônio e paládio), mas intencionalmente omitindo ouro ou platina, devido ao custo desses metais nobres.

Revolução nos materiais inteligentes para aviões do futuro
Além dos aviões, os materiais inteligentes estão sendo usados para criar robôs metamórficos, que podem mudar de forma de acordo com a tarefa a cumprir. [Imagem: Jesse Silverberg et al. - 10.1126/science.1252610]

"Quando misturamos esses elementos em proporções iguais, descobrimos que os materiais resultantes podiam trabalhar a temperaturas superiores a 500º C - um deles operou a 700º C, sem ouro ou platina. Isto é uma descoberta. Também foi inesperado porque a literatura sugeria o contrário," contou Karaman.

Como esses novos materiais funcionam? O professor Karaman diz que eles já têm algumas ideias sobre como eles operam em altas temperaturas, mas ainda não têm teorias sólidas para explicar o fenômeno.

"É por isso que acredito que isso possa abrir uma área completamente nova de pesquisa," disse ele. "Enquanto continuaremos nossos próprios esforços, estamos empolgados com o fato de que outros agora se juntarão a nós para que juntos possamos superar as fronteiras da ciência."

E os aviões?

Um motor a jato é mais eficiente em termos de combustível quando o espaço entre as pás da turbina e a lataria é minimizado. Mas esse espaçamento tem que ter uma margem para lidar com cada condição operacional.

Ligas com memória de forma incorporadas na carcaça da turbina podem permitir a manutenção de uma folga mínima em todos os regimes de voo, melhorando assim o consumo específico de combustível.

Outra importante aplicação potencial é a redução do ruído dos aviões quando eles chegam a um aeroporto. Aviões com bicos de exaustão maiores são mais silenciosos, mas menos eficientes no ar. As ligas inteligentes podem alterar automaticamente o tamanho do núcleo do bocal de exaustão, dependendo se o avião está em voo de cruzeiro ou se está pousando.

Outra aplicação, já em testes, está na criação de asas metamórficas, asas que mudam de formato conforme o ambiente de operação - cruzeiro ou pouso e decolagem.

De fato, a NASA aposta nos materiais inteligentes para os aviões do futuro, mas ainda dependia de descobertas como a agora anunciada para viabilizar as inovações técnica e economicamente.

Bibliografia:

Ultra-high temperature multi-component shape memory alloys
Demircan Canadinc, William Trehern, Ji Ma, Ibrahim Karaman, Fanping Sun, Zaffir Chaudhry
Scripta Materialia
Vol.: 158, Pages 83-87
DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.08.019




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