Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

abril 11, 2009

La fibra de carbono

Dijo Shakespeare que somos la materia de la que están hechos los sueños. Quizá. Pero también somos de la materia de la que hoy se hacen naves espaciales, bicicletas y raquetas de tenis: el carbono.

Una fibra de carbono pasa sobre un cabello humano (más claro).
La leyenda indica 10 nanómetros (millonésimas de metro)
(Imagen CC de Anton vía Wikimedia Commons)
El carbono es uno de los elementos más apasionantes del universo por su capacidad de formar cadenas, además de que es el elemento que más compuestos puede formar. A día de hoy se han descrito más de diez millones de compuestos orgánicos puros, pero teóricamente el carbono puede formar muchísimos más. Esos compuestos son precisamente la base de la vida y los cimientos de todo lo orgánico que nos rodea. Alrededor del 18,5% de la masa de nuestro cuerpo es carbono en una vasta cantidad de compuestos.

Adicionalmente, el carbono tiene la singular capacidad de formar polímeros, que son cadenas de moléculas sencillas. Por ejemplo, la glucosa es el monómero natural más común, pero puede formar diversas cadenas que dan como resultado igualmente la celulosa que lel almidón. Por todo ello, no deja de ser afortunado que el carbono sea el cuarto elemento más abundante del universo por su masa, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno.

Finalmente, una de las peculiaridades de este versátil elemento es que existe muy poco tiempo en forma de átomos independientes, y éstos se estabilizan organizándose en varias configuraciones multiatómicas. A estas distintas estructuras se les conoce como alótropos. Los átomos en en forma no cristalina e irregular forman el carbono amorfo, como el carbón vegetal, el hollín y el carbono activado. Los átomos de carbono formando grupos de anillos hexagonales en capas forman el grafito, cuya suavidad se debe a que dichas capas están unidas muy débilmente. A grades presiones, los átomos de carbono se unen como tetraedros, cada uno a otros cuatro, creando una red cristalina que llamamos diamante. Todas estas formas, y otras más, son el mismo elemento, el carbono.

Conocido desde la prehistoria, el carbono ha sido utilizado en muy diversos procesos y ha sido intensamente investigado. Así, en 1958 se crearon las primeras fibras de carbono de alto rendimiento, pero fue necesario esperar hasta 1960 para tener una fibra que contuviera un 55% de carbono y que tenía una resistencia superior a la del acero unida a un peso muy ligero.

La fibra de carbono está formada de hilos formados por miles de filamentos de carbono. Cada filamento es un delgado tubo de entre 5 y 8 micrometros (millonésimas de metro) de diámetro. Estas fibras se pueden presentar como hilos en bobinas o en tejidos de diversas características en cuanto a espesor y resistencia.

La utilización de la fibra de carbono se realiza en combinación con diversos polímeros, principalmente resinas epóxicas, formando los llamados materiales compuestos o composites que suelen llevar el nombre de la fibra estructural. La fibra de carbono funciona como lo hace la fibra de vidrio al imparte sus propiedades a diversas resinas, y del mismo modo, cuando decimos que algo está fabricado con fibra de carbono, queda implícito que se trata de un compuesto, en el que la fibra se conoce como “matriz”, de modo que hablamos en general de compuestos “matriz-polímero”

La utilización industrial de los compuestos de fibra de carbono comenzó en la industria aeroespacial, como alternativa para sustituir piezas metálicas de gran peso, y pronto saltó al mundo de las carreras de automóviles, donde se desarrollaron distintos tejidos y mezclas de tejidos que fueran resistentes en un sentido pero débiles en otro, o bien mezclas resistentes en todas las direcciones, que se emplean en partes como la cabina del piloto, que se hace a medida y debe proteger al máximo al conductor.

Además de su resistencia y fiabilidad, la fibra de carbono tiene la gran ventaja de que puede moldearse en prácticamente cualquier forma imaginable. Las telas de fibra de carbono empapadas en resinas epóxicas son altamente maleables y flexibles, lo que da a los diseñadores una gran libertad en el uso de este material, por ejemplo para darle formas aerodinámicas o hidrodinámicas.

Las carrocerías de los coches de Fórmula Uno están hechas totalmente de fibra de carbono para controlar su peso y resistencia. Los famosos volantes de los autos de F1 son también de fibra de carbono. Los frenos, curiosamente, son de un compuesto llamado “carbono-carbono” o una matriz de carbono reforzada con fibras de carbono para resistir las altas temperaturas a las que se ven sometidos durante una carrera. El prestigio de la fibra de carbono en el mundo automovilístico es tal que muchas personas dedicadas a la modificación o tuning de autos utilizan piezas que dejan sin pintar para que se vea el peculiar aspecto del tejido de fibra de carbono.

Actualmente, los compuestos de fibra de carbono se utilizan en toda aplicación donde se necesite combinar una gran resistencia y un bajo peso: bicicletas de carreras, palos de golf, raquetas de tenis, cañas de pescar, embarcaciones para competencias de remo (canoas, skeets, kayaks), bates de béisbol, las hojas de las hélices de las turbinas eólicas, equipo fotográfico, mobiliario y robótica, arcos para tiro con flecha, etc.

Este aumento en la variedad de las utilizaciones de la fibra de carbono además impulsa la reducción del precio de este material, que sigue siendo alto, así como la investigación de mejores formas para su producción de modo más eficiente y económico.

Quizá la aplicación más asombrosa de los compuestos con matriz de fibra de carbono hasta ahora ha sido la producción de instrumentos musicales. La empresa Blackbird ha rediseñado completamente la guitarra clásica española de cuerdas de nylon, obteniendo un instrumento negro, de forma que recuerda a un laúd renacentista y, se dice, con una sonoridad similar a la de los más costosos modelos de guitarra tradicional. El caso más impresionante, es el de Luis and Clark, fabricante de violines, violas, violoncellos y contrabajos de fibra de carbono, que han conquistado un sector tradicionalmente conservador, el de los músicos clásicos. Yo-Yo Ma, el principal violoncelista de la actualidad, utiliza un cello Luis and Clark de 7.000 dólares con tanto entusiasmo como sus dos cellos clásicos Montagnana y Stradivarius, cada uno con un precio de alrededor de los dos millones de dólares.


En el aire

Dos modelos de aviones que próximamente surcarán los cielos hacen un uso intensivo de la fibra de carbono. El Boeing 787 Dreamliner que se presentó en 2007 tiene el 50% de su peso formado por fibra de carbono que se emplea en el fuselaje, las alas, la cola, las puertas y los interiores. Su competidor europeo, el Airbus A350, tendrá su fuselaje y alas formados principalmente de fibra de carbono. Esto representa, ante todo, un ahorro en combustible y una reducción de la contaminación de la atmósfera causada por el creciente tráfico aéreo en el mundo.