Antes de emprender un viaje transcontinental, los aviones a reacción se llenan con decenas de miles de galones de combustible. En caso de accidente, cantidades tan grandes de combustible aumentan la gravedad de la explosión en el momento del impacto. Investigadores de Caltech y del JPL han descubierto un aditivo polimérico para combustibles que puede reducir la intensidad de las explosiones posteriores al impacto que se producen en accidentes y actos terroristas. Además, los resultados preliminares muestran que el aditivo puede ofrecer este beneficio sin afectar negativamente al rendimiento del combustible.
El trabajo se publica en el número del 2 de octubre de la revista Science.
Los motores a reacción comprimen el aire y lo combinan con una fina pulverización de combustible para aviones. La ignición de la mezcla de aire y combustible mediante una chispa eléctrica desencadena una explosión controlada que impulsa el avión hacia delante. Los aviones a reacción funcionan gracias a miles de estas pequeñas explosiones. Sin embargo, el proceso que distribuye la pulverización de combustible para la ignición, conocido como nebulización, también hace que el combustible se disperse rápidamente y se incendie con facilidad en caso de impacto.
El aditivo, creado en el laboratorio de Julia Kornfield (BS ’83), profesora de ingeniería química, es un tipo de polímero, una molécula larga formada por muchas subunidades repetidas, con un extremo en cada punta formado por unidades que funcionan como velcro. Los polímeros individuales se unen espontáneamente en cadenas ultralargas llamadas «megasupramoléculas».
Las megasupramoléculas, según Kornfield, tienen una combinación de propiedades sin precedentes que les permite controlar la nebulización del combustible, mejorar el flujo del combustible por las tuberías y reducir la formación de hollín. Las megasupramoléculas inhiben la nebulización en condiciones de impacto y la permiten durante la inyección de combustible en el motor.
Otros polímeros han mostrado estos beneficios, pero presentan deficiencias que limitan su utilidad. Por ejemplo, los polímeros ultralargos tienden a romperse de forma irreversible al pasar por bombas, tuberías y filtros. Como resultado, pierden sus propiedades útiles. Esto, sin embargo, no ocurre con las megasupramoléculas. Aunque las supramoléculas también se separan en partes más pequeñas al pasar por una bomba, el proceso es reversible. Las unidades tipo velcro en los extremos de las cadenas individuales simplemente se vuelven a conectar al encontrarse, lo que «cura» efectivamente las megasupramoléculas.
Cuando se añaden al combustible, las megasupramoléculas afectan drásticamente al comportamiento del flujo incluso cuando la concentración del polímero es demasiado baja para influir en otras propiedades del líquido. Por ejemplo, el aditivo no altera el contenido energético, la tensión superficial ni la densidad del combustible. Además, la potencia y la eficiencia de los motores que utilizan combustible con el aditivo no cambian, al menos en los motores diésel que se han probado hasta ahora.
Cuando se produce un impacto, las supramoléculas entran en acción. Pasan la mayor parte del tiempo enrolladas en una conformación compacta. Sin embargo, cuando se produce un alargamiento repentino del fluido, las moléculas del polímero se estiran y resisten un mayor alargamiento. Este estiramiento les permite inhibir la ruptura de las gotas en condiciones de impacto, reduciendo así el tamaño de las explosiones, y también reducir la turbulencia en las tuberías.
«La idea de las megasupramoléculas surgió de los polímeros ultralargos», afirma el científico investigador y coautor principal Ming-Hsin «Jeremy» Wei (PhD ’14). «A finales de los años setenta y principios de los ochenta, los científicos especializados en polímeros estaban muy entusiasmados con la idea de añadir polímeros ultralargos al combustible para reducir la intensidad de las explosiones posteriores al impacto de los aviones.» El concepto se puso a prueba en una prueba de choque a escala real de un avión en 1984. El avión quedó envuelto brevemente en una bola de fuego, lo que generó titulares negativos y provocó que los polímeros ultralargos cayeran rápidamente en desgracia, según Wei.
En 2002, Virendra Sarohia (PhD ’75), del JPL, quiso reactivar la investigación sobre el control de la nebulización con la esperanza de evitar otro ataque como el del 9-11. «Se puso en contacto conmigo y me convenció de diseñar un nuevo polímero para el control de la nebulización del combustible de aviones», afirma Kornfield, autora de correspondencia del nuevo artículo. El primer avance llegó en 2006 con la predicción teórica de las megasupramoléculas por parte de Ameri David (PhD ’08), entonces estudiante de posgrado en el laboratorio de Kornfield. David diseñó cadenas individuales lo bastante pequeñas como para eliminar los problemas anteriores y que se asocian dinámicamente entre sí formando megasupramoléculas, incluso a bajas concentraciones. Sugirió que estos conjuntos podrían aportar los beneficios de los polímeros ultralargos, con la nueva característica de que podrían pasar por bombas y filtros sin dañarse.
Cuando Wei se unió al proyecto en 2007, se propuso crear estas moléculas teóricas. Producir polímeros de la longitud deseada con un «velcro molecular» suficientemente fuerte en ambos extremos resultó ser un desafío. Con la ayuda de un catalizador desarrollado por Robert Grubbs, profesor de la cátedra Victor and Elizabeth Atkins de Química y ganador del Premio Nobel de Química de 2005, Wei desarrolló un método para controlar con precisión la estructura del velcro molecular y colocarlo en el lugar adecuado de las cadenas del polímero.
La integración de la ciencia y la ingeniería fue la clave del éxito. Simon Jones, químico industrial que trabaja ahora en el JPL, ayudó a Wei a desarrollar métodos prácticos para producir cadenas cada vez más largas con los grupos terminales tipo velcro. Boyu Li, coautor principal y estudiante de posgrado de Caltech, ayudó a Wei a explorar la física que hay detrás del sorprendente comportamiento de estos nuevos polímeros. Joel Schmitigal, científico del U.S. Army Tank Automotive Research Development and Engineering Center (TARDEC) en Warren, Míchigan, realizó pruebas esenciales que situaron al polímero en el camino hacia su aprobación como nuevo aditivo para combustibles.
«Mirando hacia el futuro, si se quiere usar este aditivo en miles de galones de combustible para aviones, diésel o aceite, se necesita un proceso para producirlo a gran escala», afirma Wei. «Por eso mi objetivo es desarrollar un reactor que produzca el polímero de forma continua, y pienso lograrlo dentro de menos de un año.»
«Por encima de todo», afirma Kornfield, «esperamos que estos nuevos polímeros salven vidas y reduzcan las quemaduras que provocan los incendios de combustible posteriores a los impactos.»
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica el respaldo del Foro Económico Mundial a las opiniones expresadas.
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Autora: Jessica Stoller-Conrad es escritora especializada en información sobre alimentación, salud y ciencia.
Imagen: El nuevo avión superjumbo Airbus A 380 se encuentra en el aeropuerto de Fráncfort.REUTERS/Kai Pfaffenbach.
