Cuesta creerlo, pero es cierto. A pesar de sus 10.100 toneladas firmemente ancladas en el suelo, la Torre Eiffel parece inmutable. Sin embargo, con el frío del invierno, el hierro que la compone se encoge. Y con el calor del verano, crece al dilatarse ese mismo hierro haciendo que creza o se encoja entre 10 y 15 cm cada vez. La dilatación del metal no es un problema para la Torre Eiffel, pero sí lo es para la aviación, donde las variaciones de temperaturas se miden en cientos de grados.
Recientemente, una colaboración entre investigadores teóricos de la TU Wien (Viena) y experimentalistas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín ha dado lugar a un avance decisivo: un metal prácticamente insensible a los cambios de temperaturas. Y esto puede ser una revolución a la hora de desarrollar aviones o semiconductores para nuestros coches.
Una aleación de metal inmune a los cambios de temperatura
Cuando se aumenta la temperatura de un metal, que es un cuerpo sólido, su volumen aumenta. Se dice que el cuerpo se dilata y esto se denomina fenómeno de dilatación térmica del metal. Cada metal se caracteriza por un coeficiente de dilatación térmica, que es una medida de cuánto se dilata el metal cuando aumenta la temperatura y cuánto se contrae cuando se enfría. Se trata de una propiedad intrínseca a cada metal.
Esta dilatación de los metales inducida por el calor puede plantear graves problemas en la fabricación de instrumentos en los que es importante la máxima precisión, como en la fabricación de equipos de laboratorio, de semiconductotres o en la industria aeroespacial.
El físico suizo Charles Édouard Guillaume (1861-1938) inició sus investigaciones en 1896 para encontrar un metal menos sensible a las variaciones de temperatura. Trabajando con varias combinaciones de metales, descubrió por casualidad una aleación de hierro, níquel y cromo que se caracterizaba por una dilatación térmica muy baja.
Le dio el nombre de Élinvar, en francés, o invar como se le conoce en inglés, por la invariable elasticidad de este nuevo material. Esta aleación, que se sigue utilizando hoy en día, está compuesta por un 52% de hierro, un 36% de níquel y un 12% de cromo.
Gracias a complejas simulaciones por ordenador, ha sido posible comprender en detalle el efecto invar y desarrollar así el llamado imán pirocloro, una aleación con propiedades de dilatación térmica aún mejores que las del invar. En una amplísima gama de temperaturas de más de 400 grados Kelvins (126 ºC), su longitud sólo varía en torno a una diezmilésima de 1% por grado Kelvin.
A diferencia de las aleaciones invar anteriores, que sólo constan esencialmente de dos metales distintos, el imán pirocloro tiene cuatro componentes: circonio, niobio, hierro y cobalto. “Es un material con un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo en un rango de temperaturas sin precedentes”, explica Yili Cao, uno de los líderes de esta investigación.
Una de las razones que hace que sea casi insensible a los cambios de temperaturas hay que buscarla en su estructura reticular. Esta no es homogénea como en otras aleaciones sino heterogénea. Algunas zonas contienen un poco más de cobalto y otras un poco menos, por ejemplo.
Esta aleación invar encontrará sin duda aplicaciones en ingeniería espacial y aeronáutica, donde existe una gran necesidad de materiales que puedan soportar cambios extremos de temperatura. Por ejemplo, para futuras exploraciones lunares, este material podría mantenerse sólido e intacto frente a las condiciones extremas de temperatura del satélite de la Tierra, donde la temperatura de la superficie puede variar rápidamente de 122 °C a -232 °C.
También podrían tener un uso en los proyectados aviones de línea supersónicos, como el de Boom Supersonic y su Overture. En este tipo de aviones, los bordes de ataque de las alas, el morro e incluso el fuselaje se expanden debido al calor. Por ejemplo, el Concorde crecía unos 25 centímetros cuando volaba a su velocidad de crucero, Mach 2. El morro o el canto delantero de las alas superaban entonces los 100 °C
Que los metales crecen se sabe y se toma en cuenta en el desarrollo, pero también cada vez que se expanden y se encogen pueden perder sus propiedades, es especialmente el caso del aluminio que se suele emplear en la construcción aeronáutica. A la larga, implica mayores costes de mantenimiento al tener que sustituir con el tiempo y el desgaste esos elementos.
Fotos | Musée de l'air, Spaceaero2, Boom Supersonic
