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Desafío de viajes espaciales resuelto con origami

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Los investigadores han desarrollado una vejiga de combustible de plástico plegada inspirada en el origami que no se agrieta a temperaturas extremadamente frías y que algún día podría usarse para almacenar y bombear combustible. Crédito: WSU

Los investigadores de la Universidad Estatal de Washington han utilizado el antiguo arte japonés del plegado de papel para posiblemente resolver un desafío clave para los viajes al espacio exterior: cómo almacenar y mover combustible a los motores de los cohetes.

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Los investigadores han desarrollado una vejiga de combustible de plástico plegada inspirada en el origami que no se agrieta a temperaturas extremadamente frías y que algún día podría usarse para almacenar y bombear combustible. Dirigidos por el estudiante de posgrado Kjell Westra y Jake Leachman, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Materiales, los investigadores han publicado su trabajo en la revista. Criogenia.

Kjell Westra

Kjell Westra. Crédito: WSU

El desafío de la gestión de combustibles ha sido un factor limitante importante en los viajes espaciales, restringiendo en gran medida los viajes espaciales a viajes más cortos para grandes cantidades de carga o satélites pequeños para misiones de larga duración. En los primeros días del programa espacial de EE. UU. En las décadas de 1960 y 1970, los investigadores intentaron desarrollar globos redondos para almacenar y bombear hidrógeno líquido. Ellos fallaron. Cada vejiga se rompería o gotearía al intentar apretarla a las temperaturas muy frías requeridas para los combustibles líquidos. Los diseños más cordiales solo duraron cinco ciclos. Los investigadores abandonaron el esfuerzo y en cambio llegaron a depender de dispositivos de gestión de propulsores menos ideales. Los sistemas actuales utilizan placas de metal y el principio de tensión superficial para gestionar los combustibles líquidos, pero los sistemas son lentos y solo pueden gotear combustibles en pequeñas cantidades, por lo que el tamaño de los tanques de combustible y las misiones son limitados.

“La gente ha estado tratando de hacer bolsas para combustible de cohetes durante mucho tiempo”, dijo Leachman. “Actualmente no hacemos viajes grandes y de larga duración porque no podemos almacenar combustible el tiempo suficiente en el espacio”.

Jake Leachman

Jake Leachman. Crédito: WSU

A través de una búsqueda de literatura, Westra encontró un artículo en el que los investigadores desarrollaron algunos fuelles basados ​​en origami. Los investigadores comenzaron a estudiar el origami en las décadas de 1980 y 1990 con la idea de aprovechar sus formas complejas y su interesante comportamiento mecánico. Los pliegues de origami extienden las tensiones sobre el material, lo que hace que sea menos probable que se rompa. Usando una delgada lámina de plástico Mylar, Westra y sus colaboradores en el laboratorio de Propiedades del hidrógeno para la investigación energética decidieron aplicar el diseño que vio para desarrollar una vejiga de combustible.

“Las mejores soluciones son las que ya están listas para usar y que luego puede transferir a lo que está trabajando”, dijo Westra.

Como nunca antes había probado el origami, dijo que tomó un par de intentos y unas horas con un video de Youtube para descubrir cómo doblar el fuelle. Una vez que lo dobló, lo probó en nitrógeno líquido a unos 77 grados Kelvin. Los investigadores encontraron que la vejiga se puede apretar al menos 100 veces sin romperse o gotear en condiciones de frío. Desde entonces, han demostrado el fuelle en numerosas ocasiones y todavía no tiene agujeros.

“Creemos que hemos resuelto un problema clave que estaba frenando a todos”, dijo Leachman. “Estamos un poco entusiasmados con eso”.

Los investigadores ahora están comenzando a realizar pruebas más rigurosas. Planean hacer pruebas con hidrógeno líquido, evaluar qué tan bien pueden almacenar y expulsar combustible y comparar las tasas de flujo de su vejiga con los sistemas actuales. Westra recibió recientemente un NASA beca de posgrado para continuar el proyecto.

“El éxito de Kjell es un ejemplo perfecto de los grandes estudiantes de WSU que estudian lo que hay y luego están en el lugar correcto en el momento adecuado para que esto suceda”, dijo Leachman.

Referencia: “Fuelle de origami de polímero compatible en criogenia” por Kjell Westra, Francis Dunne, Stasia Kulsa, Mathew Hunt y Jacob Leachman ,,.
DOI: 10.1016 / j.cryogenics.2020.103226

La investigación fue apoyada a través de una subvención del Centro Conjunto para la Innovación en Tecnología Aeroespacial (JCATI) en colaboración con Blue Origin. JCATI es una iniciativa apoyada por el estado para estimular el desarrollo económico aeroespacial y la creación de empleo en Washington a través de colaboraciones de financiamiento entre la industria aeroespacial e investigadores académicos. Los estudiantes Francis Dunne, Stasia Kulsa y Mathew Hunt también contribuyeron al trabajo.

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