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La guía de ondas, un tubo metálico utilizado para conducir ondas de radio, es un componente importante de los satélites que permite la comunicación. También es una de las cargas útiles más pesadas que los satélites llevan a la órbita. Como ocurre con cualquier tecnología espacial, reducir el peso significa utilizar combustible menos costoso que produce gases de efecto invernadero para lanzar un cohete o transportar más equipos al espacio.
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Para reducir el peso, investigadores de la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de Drexel están desarrollando y probando una guía de ondas hecha de polímeros impresos en 3D cubiertos con el nanomaterial conductor MXene.
El equipo discutió la posibilidad de utilizar recubrimientos MXene para agregar conductividad eléctrica a componentes livianos y no conductores, una propiedad que se sacrifica en la fabricación aditiva con materiales poliméricos como los plásticos. Su estudio fue publicado recientemente en la revista materiales hoy.
En las aplicaciones espaciales, cada gramo adicional de peso cuenta. Los materiales MXene ofrecen uno de los recubrimientos más delgados posibles (sus escamas tienen solo unos pocos átomos de espesor) que pueden crear una superficie conductora. Por lo tanto, vemos un gran potencial en el uso de MXenes para tratar componentes fabricados aditivamente a partir de polímeros con formas complejas.
Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y Profesor Bach, Facultad de Ingeniería, Universidad de Drexel
Las guías de ondas actúan como líneas de microondas. Transmiten las ondas a los receptores manteniendo la intensidad de la señal. Las guías de ondas en un horno microondas calientan la comida; En un satélite, transportan comunicaciones de alta calidad entre varios componentes dentro y entre satélites y entre satélites y la Tierra.
Las guías de ondas, como la intrincada red de tuberías que serpentean a través de una casa, se fabrican en varias formas para caber en espacios reducidos. Pueden variar desde canales simples y rectos hasta formaciones complicadas como un laberinto.
Las guías de ondas pueden ser tan simples como un canal recto y rectangular o pueden transformarse en formas que se asemejan a una «pajita loca» con curvas y giros. Sin embargo, el verdadero cambio de juego es la aparición de métodos de fabricación aditiva, que permiten diseños más complejos que pueden ser difíciles de producir con metales.
Mohammad Zarifi, profesor asociado, Universidad de Drexel
Si bien cualquier tubo hueco puede servir como una «guía de ondas» rudimentaria, los tubos que transmiten ondas electromagnéticas, como los hornos microondas y los equipos de telecomunicaciones, deben estar hechos de un material conductor para mantener la calidad de la transmisión. Estas guías de ondas suelen estar hechas de metales como plata, latón y cobre. Para los satélites, el aluminio es un material más ligero.
Basándose en sus hallazgos anteriores de que los MXenes pueden bloquear y canalizar la radiación electromagnética, los investigadores de Drexel, que descubrieron los MXenes por primera vez en 2011 y han liderado su investigación y desarrollo desde entonces, sugirieron que los nanomateriales 2D serían un buen candidato como recubrimiento para el plástico. Los componentes de la guía de ondas serían.
Nuestro recubrimiento MXene demostró ser un fuerte candidato para esta aplicación porque es altamente conductor, actúa como un escudo electromagnético y puede fabricarse fácilmente sumergiendo la guía de ondas en MXene dispersos en agua. Se han probado otras pinturas metálicas, pero debido a los productos químicos utilizados para estabilizar sus componentes metálicos, su conductividad se ve afectada en comparación con los MXenes.
Lingyi Bi, estudiante de doctorado, Universidad de Drexel
Además, los investigadores descubrieron que el revestimiento MXene se adhería excepcionalmente bien a las guías de ondas de nailon impresas en 3D debido a la compatibilidad de las estructuras químicas. Para descubrir si MXene puede cubrir completamente su interior, el equipo recubrió guías livianas de varios tamaños y formas, incluidas guías con forma de resonador, curvas, rectas y torcidas.
Las guías de ondas de nailon recubiertas de MXene pesan aproximadamente ocho veces menos que las guías de ondas de aluminio típicas que se utilizan actualmente, y el recubrimiento de MXene aumentó el peso total de los componentes en sólo una décima de gramo.
Lo más importante es que las guías de ondas MXene funcionaron casi tan bien como sus contrapartes de aluminio, con una eficiencia del 81 % en la dirección de ondas electromagnéticas entre dos puertos después de solo un ciclo de recubrimiento por inmersión, lo que representa una reducción de energía de solo el 2,3 % en comparación con el aluminio.
Los investigadores demostraron que podían aumentar este parámetro de transmisión cambiando las capas de recubrimiento o el tamaño de las escamas de MXene, logrando una eficiencia de transmisión máxima del 95%.
Si la transmisión se adaptaba a las diferentes bandas de frecuencia, como las que se utilizan hoy en día en las comunicaciones por satélite en la órbita terrestre baja, y tenía una potencia de entrada suficientemente alta para estas transmisiones, el rendimiento se mantenía estable. Además, la calidad no se deterioró significativamente después de tres meses, lo que demuestra la longevidad del recubrimiento.
Roman Rakhmanov, un estudiante de posgrado de Drexel que participó en el estudio, añadió: “Las guías de ondas recubiertas de MXene aún deben someterse a pruebas exhaustivas y estar certificadas para uso espacial antes de poder desplegarlas en satélites. Pero este hallazgo podría ser un paso importante hacia la próxima generación de tecnología espacial.«
El grupo de Gogotsi tiene intención de realizar más investigaciones sobre los recubrimientos MXene en áreas donde la sustitución de componentes metálicos podría resultar beneficiosa.
Gogotsi concluyó: “Estos prometedores resultados sugieren que los componentes recubiertos con MXene podrían ser un reemplazo viable y liviano de las guías de ondas utilizadas en el espacio. Creemos que los recubrimientos también podrían optimizarse para transmisiones de diferentes frecuencias y aplicarse a una variedad de componentes poliméricos fabricados aditivamente o moldeados por inyección, lo que también podría proporcionar una alternativa liviana y rentable a los metales en una variedad de aplicaciones terrestres.«
Referencia de la revista:
Niksan, O., et. Alabama. (2024) MXene conduce microondas a través de estructuras poliméricas 3D. materiales hoy en día. doi:10.1016/j.mattod.2023.12.013.
Fuente: https://drexel.edu/
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