El próximo escudo contra la basura espacial podría estar inspirado en las cáscaras de huevo

En 2007, un fragmento de basura espacial perforó el panel del radiador del transbordador espacial estadounidense Endeavour, con un diámetro similar al de una bala. El programa del transbordador finalizó en 2011, pero el problema de la basura espacial no ha hecho más que agravarse a medida que lanzamos más y más constelaciones de satélites, telescopios y naves espaciales a la órbita. Por ello, científicos chinos han desarrollado un nuevo material de aluminio inspirado en las cáscaras de huevo que, según un nuevo artículo publicado en el Journal of Applied Physics, podría ofrecer una mayor protección contra los fragmentos de basura espacial.

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Las cáscaras de huevo han fascinado a los científicos durante mucho tiempo debido a sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, para romper un huevo se necesita aplicar la fuerza justa en el centro para lograr una rotura limpia sin que la cáscara se haga añicos. En 2012, el ingeniero mecánico del MIT, Pedro Reis, fue coautor de un artículo que demostraba la relación entre la geometría ovoide del huevo y su rigidez, un factor clave para predecir cuánta fuerza puede soportar un objeto antes de romperse.

Reis comenzó a estudiar las cáscaras de huevo tras participar en una popular demostración de física: caminar sobre cartones de huevos sin romperlos. La clave era alinear los huevos con la punta más estrecha (la parte más resistente a las roturas) hacia arriba, y luego colocar cuidadosamente los pies para distribuir el peso sobre toda la superficie. Esto garantiza que ningún huevo se sobrecargue. Si bien se necesitan alrededor de 2.5 kg de fuerza para romper un huevo, esto depende de la dirección en que se aplica la fuerza, así como de su distribución sobre la superficie de la cáscara.

En las décadas de 1950 y 1960, la industria aeroespacial descubrió que la resistencia de las cáscaras de huevo a la rotura era un modelo útil para realizar estudios de análisis de fallas en las carcasas metálicas utilizadas en la construcción de aviones. Esta resistencia a la rotura se debe a su estructura, similar a la del esmalte dental o las conchas marinas. La cáscara de huevo está compuesta principalmente por cristales de carbonato de calcio incrustados en una matriz proteica, reforzada además por una fina membrana interna de colágeno. Por esta razón, se la ha descrito como "el embalaje perfecto de la naturaleza".

Otra demostración popular es el clásico reto de dejar caer el huevo, en el que los estudiantes deben encontrar la mejor manera de proteger un solo huevo para que no se rompa al dejarlo caer desde una altura considerable. Tradicionalmente se ha creído que dejar caer el huevo verticalmente es lo mejor, lo cual coincide con el trabajo de Reis de 2012.

Pero a principios de este año, Tal Cohen, colega de Reis en el MIT, cuyo departamento dirige el desafío anual de caída de huevos del MIT, decidió poner a prueba esa suposición. El equipo descubrió que, en situaciones donde es clave absorber el impacto, como en una caída, los huevos colocados de lado resisten mejor. Al recibir la misma fuerza, se deforman más y absorben más energía. Los experimentos lo confirmaron: al caer desde la misma altura, se rompían con menos frecuencia que los colocados en posición vertical.

La física de la cáscara de huevo es compleja, y los científicos siguen descubriendo cosas nuevas y encontrando aplicaciones innovadoras para sus conocimientos, como la protección contra la basura espacial. Un informe de la NASA de 2021 estimó que existen alrededor de 34,000 fragmentos de basura espacial de más de 10 centímetros en órbita cercana a la Tierra, unos 900,000 fragmentos de entre 1 cm y 10 cm, y aproximadamente 128 millones de fragmentos de menos de 1 cm. Incluso las partículas más pequeñas pueden dañar las naves espaciales debido a las altas velocidades que pueden alcanzar.

Las naves espaciales suelen estar protegidas de los impactos de escombros mediante algún tipo de escudo Whipple, que consta de una delgada capa exterior con un espacio entre esta y la pared de la nave. La capa exterior está diseñada para fragmentar las partículas de escombros entrantes, distribuyendo la energía del impacto sobre una mayor superficie de la pared. A lo largo de las décadas, se han desarrollado numerosas versiones del escudo, incluyendo diseños con múltiples capas exteriores o con relleno entre las capas rígidas.

Imagen generada por computadora de la NASA que muestra el crecimiento de desechos espaciales.

Por ello, idearon un diseño similar al truco de caminar sobre cartones de huevos, aprovechando la geometría favorable y las propiedades biomecánicas de las cáscaras de huevo. El equipo imprimió en 3D tres diseños diferentes de aluminio: placas de aluminio, esferas de aluminio llenas de agua intercaladas entre placas de aluminio y estructuras de cáscara de huevo llenas de agua. Realizaron múltiples simulaciones midiendo impactos a hipervelocidad para determinar el diseño más resistente y llevaron a cabo experimentos con cañones de gas ligero en sus matrices impresas en 3D.

Las estructuras con forma de cáscara de huevo rellenas de agua demostraron ser las más eficaces, soportando cargas elevadas y reduciendo la velocidad de los proyectiles en casi un 65%. El uso exclusivo de placas de aluminio redujo la velocidad en tan solo un 51%. El agua desempeña un papel fundamental en la disipación de la energía del impacto, impidiendo que las ondas de impacto se propaguen al agitarse dentro de la cáscara.

Los autores también probaron diferentes configuraciones de cáscaras de huevo y descubrieron que la más eficaz era aquella en la que los huevos se colocaban en posición vertical con la punta estrecha en contacto con la placa superior de aluminio. Se necesitan más experimentos para perfeccionar el diseño y mejorar la absorción de energía del material, pero estos resultados iniciales son prometedores.

"Una sola cáscara de huevo se rompe fácilmente bajo una fuerza localizada, pero el mecanismo de protección de la matriz de cáscaras es completamente diferente", mencionó Yuxin Wang, coautor del estudio e investigador de la Universidad Tecnológica de Dalian en China.

Wang añade: "La deformación conjunta de estas estructuras permite repartir la fuerza del impacto y disipar mejor la energía, lo que aumenta significativamente la resistencia de las placas. Los investigadores esperan que este trabajo impulse el desarrollo de nuevas estructuras protectoras inspiradas en la naturaleza.