Resumen:
Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han propuesto un nuevo método que utiliza pequeñas vibraciones dentro de los materiales para regular el flujo de aire. En el futuro, se espera reducir la turbulencia y la resistencia sin cambiar la forma del avión, mejorando así la eficiencia del combustible.
Los aviones de pasajeros pueden volar a velocidades de aproximadamente 640 millas por hora. El aire cerca de la superficie del ala crea una capa límite turbulenta, que aumenta la resistencia al vuelo, reduce la eficiencia del vuelo y resulta en un mayor consumo de combustible. Un avión comercial puede consumir más de 10.000 galones de combustible en un vuelo de travesía, por lo que incluso un pequeño aumento en la eficiencia podría generar importantes ahorros de costos para las aerolíneas.
Mahmood I. Hussain, profesor del Departamento de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Colorado Boulder, y su equipo están explorando otro camino: en lugar de simplemente remodelar los contornos exteriores de la aeronave para controlar la resistencia, pueden colocar materiales sintéticos diseñados debajo de la superficie y usar vibraciones microscópicas generadas por los materiales para afectar el flujo de aire, reduciendo así la turbulencia y mejorando la economía de combustible.
El equipo de Hussain publicó recientemente artículos en "Physical Review
Hussein dijo que desde el nacimiento de la industria de la aviación, la idea principal de controlar la resistencia ha sido cambiar la forma del avión. Ahora, los investigadores han propuesto un nuevo concepto: utilizar materiales que interactúen dinámicamente con el flujo de aire para afectar la resistencia de la superficie, mejorando el rendimiento de la aeronave de una manera sin precedentes. Además de su nombramiento en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial, Hussein tiene un nombramiento simultáneo en el Departamento de Física y está afiliado al programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales.
El núcleo de esta investigación son los "fonones". Los fonones no son movimientos macroscópicos de toda la estructura, sino vibraciones extremadamente pequeñas que ocurren dentro del material. Aunque estos movimientos son de pequeña magnitud, si se pueden controlar, podrían cambiar la forma en que la superficie del material interactúa con el aire que fluye.
La investigación que rodea estas vibraciones internas se llama fonónica. Hussain ha estado involucrado en la promoción del desarrollo de este campo durante más de dos décadas y ayudó a fundar la serie de conferencias "Phononics 20xx" en 2011, que ahora se ha convertido en una importante plataforma de intercambio internacional para investigadores en este campo.
En 2015, Hussein propuso el concepto de "subsuperficie de fonones", que consiste en disponer estructuras especialmente diseñadas debajo de la superficie de los materiales para que puedan controlar pasivamente las vibraciones en la interfaz entre la superficie y el fluido. En el pasado, los diseños desarrollados por su equipo y otros investigadores a menudo solo funcionaban con una única frecuencia.
Las últimas investigaciones muestran que diseñar el subsuelo del fonón en una estructura enrollada puede extender su efecto a un rango de frecuencias. Este fenómeno, conocido como "superresonancia", resuelve una limitación importante de los diseños anteriores: permite que la estructura interactúe con una gama más amplia de componentes de frecuencia que se encuentran en la turbulencia real.
Hussain dijo que inicialmente el equipo solo podía manejar una frecuencia, pero luego quiso cubrir un rango más amplio de frecuencias, porque así es como se generan las turbulencias en el mundo real de esta manera de banda ancha. Hoy, este objetivo se ha logrado. La estructura de fonones enrollados supera las limitaciones de larga data de las estrategias de control de flujo laminar.
La "interferencia sin dispersión" soluciona otro problema. En lugar de simplemente colocar un subsuelo de fonón en un solo lugar, los investigadores pueden organizar múltiples estructuras en una cuadrícula o celosía, extendiendo su influencia aguas abajo del flujo de aire sobre un área más grande, como el ala de un avión o la superficie del fuselaje de un vehículo hipersónico.
Hussein dijo que este enfoque permite un control posterior eficaz. El control descendente y el control de banda ancha han sido dos de las limitaciones clave de la tecnología desde su introducción hace más de una década, y el equipo ahora ha resuelto ambas cuestiones.
Los dos avances se complementan entre sí, señaló Adam Harris, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el laboratorio de Hussein y coautor de ambos artículos. La interferencia sin dispersión proporciona una manera de atenuar el comportamiento espacial de los campos de flujo inestables aguas abajo del subsuelo del fonón; La superresonancia amplía el rango de frecuencia sobre el cual el control puede ser efectivo. La combinación de los dos acerca el concepto original del subsuelo de fonones a la flexibilidad requerida en entornos de flujo real.
En la actualidad, estos resultados provienen principalmente de estudios computacionales, pero las subsuperficies de fonones ya no se encuentran completamente en la etapa teórica. Equipos de investigación de todo el mundo han creado prototipos físicos funcionales y están avanzando hacia las pruebas en túnel de viento.
Hussein dijo que el equipo espera romper con el pensamiento tradicional de que "el control de flujo sólo puede depender de cambiar la forma de la superficie expuesta o, en los últimos años, depender de actuadores activos". Al utilizar subsuperficies de fonones, un ala o fuselaje conserva su forma, planitud y propiedades pasivas originales, mientras que el material que se encuentra debajo está diseñado para interactuar con el flujo de aire de una manera muy específica.
Aunque la investigación actual está orientada principalmente al campo aeroespacial, los usos potenciales de la superresonancia y la interferencia sin dispersión no se limitan a las aeronaves. Hussein cree que los barcos, los oleoductos, las turbinas y cualquier sistema afectado por turbulencias podrían beneficiarse; de hecho, ambas ideas pueden incluso tener aplicaciones más allá del control de flujo.
La investigación relevante también involucra cuestiones de flujo hipersónico y cuenta con el respaldo de un programa de investigación universitaria multidisciplinaria de cinco años de duración por valor de 7,5 millones de dólares de la Oficina de Investigación Naval del Departamento de Defensa de EE. UU.
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