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AprendizajeTranscripción
00:00Este es uno de los motores a reacción más potentes del mundo, y de hecho funciona a temperaturas 250 grados
00:06Celsius más calientes que el punto de fusión de los materiales que lo componen.
00:10Está a 1200 grados.
00:11La pregunta es, ¿por qué un motor a reacción no se derrite totalmente?
00:16Estamos justo en los límites de las leyes de la física.
00:21Increíble.
00:22Está a la misma temperatura hora que tendría dentro del motor a reacción, pero aquí están líquidos.
00:27Cada vez que subo un avión pienso, esto no va a funcionar.
00:31Y sin embargo, funciona. Ahora mismo hay más de 10.000 aviones en el cielo impulsados por motores como estos.
00:38Quizás vayas en uno en este momento, pero ¿cómo es que funcionan?
00:45Este es un motor a reacción, específicamente un motor turbofan.
00:49Al frente tiene este ventilador gigante.
00:51Durante el despegue, estas aspas giratorias empujan 1.3 toneladas de aire hacia atrás cada segundo,
00:57y alrededor del 10% de ese aire se comprime.
01:00Los compresores empujan el aire hacia cámaras cada vez más estrechas.
01:04Comprimen el aire hasta aproximadamente 50 veces la presión atmosférica.
01:08Y solo al hacer eso, el aire se calienta hasta unos 600 grados Celsius.
01:13Este aire comprimido se introduce luego en la cámara de combustión,
01:17donde se rocía combustible a través de un anillo de boquillas y se enciende.
01:20Esa reacción química libera mucho calor, por lo que la temperatura sube a alrededor de 1.500 grados Celsius.
01:27Y ahora tenemos este gas a alta presión proveniente de la cámara de combustión que quiere expandirse
01:32y que ahora tiene una cantidad increíble de energía térmica.
01:35Pero entre la cámara de combustión y el aire exterior se encuentra esto.
01:40Filas de álabes de turbina.
01:41Para que el gas se expanda y salga, necesita empujar esos álabes de la turbina.
01:47Y al empujar los álabes, es como transferir su energía al motor.
01:52Es aquí de donde realmente proviene toda la potencia.
01:55En los jets modernos, al despegar, cada álabe de la turbina de alta presión
01:59genera tanta potencia como un auto de Fórmula 1.
02:02Y hay 68.
02:04A medida que el gas pasa por la turbina y la boquilla,
02:07su presión disminuye de unas 50 atmósferas a una y se expande casi 20 veces.
02:12Y eso hace girar los álabes de turbina hasta 12.500 revoluciones por minuto.
02:17El ventilador que empuja todo el aire hacia atrás y todos los compresores que comprimen el aire,
02:22todo eso es impulsado por las turbinas de aquí atrás.
02:25Es una forma algo chistosa y muy poco intuitiva de pensar en un motor.
02:30Lo que ocurre en la parte trasera es lo que realmente impulsa todo enfrente.
02:35A medida que los gases de escape caliente son expulsados por la parte trasera del motor,
02:40lo empujan hacia adelante generando empuje.
02:43¿Pero sabías que en un avión de pasajeros moderno esto representa menos del 20% del empuje del motor?
02:49La mayor parte del empuje, más del 80%,
02:51proviene simplemente de ese gran ventilador en la parte delantera del jet.
02:55¿Recuerdas que solo el 10% del aire entrante se comprime?
02:59El otro 90% rodea todo eso.
03:02Simplemente es impulsado hacia atrás por el ventilador,
03:05rodea el núcleo del motor y sale directamente por atrás.
03:08El ventilador empuja el aire hacia atrás y el aire empuja el ventilador hacia adelante.
03:13Así se obtiene el 80% del empuje.
03:15Básicamente es una enorme hélice con tobera.
03:18Pero, ¿por qué hacerlo así?
03:20¿Por qué no comprimir todo el aire entrante para que pase por la cámara de combustión y las turbinas?
03:27Bueno, algunos aviones de combate hacen exactamente esto y hace que los motores sean muy potentes,
03:32pero también son terriblemente ineficientes.
03:35Para entender por qué, recuerda que el impulso que empuje el avión hacia adelante
03:38es igual al cambio en el movimiento del aire hacia atrás.
03:42Así que hay opciones.
03:43Por ejemplo, se podría empujar el doble de aire hacia atrás a la mitad de velocidad
03:47o se podría empujar la mitad de aire hacia atrás al doble de velocidad.
03:51Ambas van a generar exactamente el mismo impulso,
03:54pero la energía cinética del aire es proporcional a B al cuadrado,
03:58por lo que se necesita cuatro veces más energía para acelerar el aire en el segundo caso
04:02y mucha de esa energía se desperdicia en el escape.
04:05Idealmente se busca empujar la mayor cantidad posible de aire hacia atrás
04:09con solo un pequeño cambio en la velocidad.
04:12Por eso los jets se han hecho cada vez más grandes con los años,
04:15y la creciente fracción de aire que se deriva tiene el beneficio adicional
04:20de que rodea los gases de escape calientes,
04:22lo que reduce el ruido que produce el chorro.
04:25Pero hay otro factor importante cuando se trata de la eficiencia del motor,
04:30que es la temperatura.
04:31A una altitud de alrededor de 35.000 pies,
04:34el aire exterior está aproximadamente a menos 55 grados Celsius,
04:38mientras que dentro del motor supera los 1.500 grados Celsius.
04:41El gas caliente a alta presión dentro del motor busca expandirse hacia el aire exterior,
04:47mucho más frío y de menor presión.
04:49Esa diferencia es la que hace que el motor convierta el calor en trabajo útil.
04:53Pero hay un límite fundamental en cuanto a la cantidad de trabajo
04:56que un motor térmico puede obtener de eso,
04:58es la eficiencia de Carnot.
04:59Es igual a 1 menos la temperatura del aire frío exterior
05:02dividida entre la temperatura del gas caliente dentro de la cámara de combustión.
05:06Y, al observar esto, se puede mejorar la eficiencia del motor de dos maneras,
05:12volar donde el aire es más frío
05:13o aumentar la temperatura en la cámara de combustión.
05:17Pero un problema con eso es que convirtió el interior de un motor a reacción
05:21en uno de los entornos más hostiles que hemos construido
05:25dentro del cual la maquinaria tiene que sobrevivir.
05:28Mantener un álabe de turbina entero e intacto dentro de un motor
05:31es como poner un cubo de hielo en el horno,
05:33encenderlo al máximo, ir al trabajo,
05:35regresar después de ocho horas y encontrarlo completamente congelado.
05:38Eso intentamos hacer dentro de ese motor.
05:40Suena absurdo.
05:41No solo los álaves de turbina se encuentran en una corriente de gas
05:45que supera los 1.500 grados Celsius.
05:47Además, están girando a 12.500 revoluciones por minuto,
05:51con la punta de cada álabe cortando el aire a casi 1.900 kilómetros por hora.
05:57Ahora, cada álabe intenta volar en línea recta,
06:00pero se ve obligado a girar en un círculo,
06:02o sea que algo tiene que jalarlo hacia adentro constantemente.
06:05Esa es la fuerza centrípeta.
06:07Si se toma un álabe de turbina de alta presión típico de 300 gramos
06:11y se hace girar a esa velocidad y radio,
06:13la fuerza que lo jala tiene que ser equivalente al peso de 20 toneladas métricas.
06:17Es más o menos el peso de dos autobuses londinenses de dos pisos
06:21tirando de cada álabe mientras gira.
06:23Todo mientras están al rojo vivo.
06:26Para empeorar las cosas, a estas temperaturas,
06:29el oxígeno tiende a reaccionar con el metal de los álabes.
06:32Y además, el aire que pasa velozmente por el motor
06:35a menudo lleva polvo, arena y contaminantes
06:37que pueden dañar y erosionar las superficies internas.
06:41Y de alguna manera,
06:42estos álabes tienen que soportar este castigo
06:45durante millas de horas de vuelo
06:47sin deformarse, agrietarse o fallar.
06:50Realmente determina qué tan eficiente puede hacerse el motor
06:53porque no se puede calentar tanto el motor
06:56que los álabes no puedan soportarlo.
06:58Ellos determinan la temperatura máxima de la cámara de combustión
07:01y, por tanto, la máxima eficiencia
07:03que se puede alcanzar con un motor a reacción.
07:06Entonces, ¿qué tipo de metal podría sobrevivir a estas condiciones?
07:10Enviamos a Emilia, productora de Veritasium,
07:13al Departamento de Ciencias de Materiales y Metalurgia
07:15de la Universidad de Cambridge
07:16para poner a prueba distintos metales.
07:19Este es el acero.
07:19Esta es la muestra de acero, sí.
07:21Ok.
07:22Vamos a empezar con unos 200 megapascales
07:24que es más o menos comparable
07:25a parte del estrés que experimentan estos componentes
07:28en aplicaciones reales.
07:30Aplicaremos esa tensión
07:31y luego aumentaremos lentamente la temperatura.
07:34Este es un acero dulce.
07:36Es relativamente fuerte y fácil de moldear en formas complejas.
07:39Parece una buena opción para un álabe de turbina.
07:41Al principio, con esta carga y estas bajas temperaturas,
07:44se mantiene bastante bien.
07:46Básicamente, estamos tirando de todos los átomos dentro del metal.
07:49No estamos rompiendo ni formando ningún enlace.
07:51Solo estamos haciendo que se flexionen
07:53y eso cambia levemente el espacio entre los átomos.
07:56Como resultado, el metal se alarga un poco.
07:59Este cambio en el tamaño,
08:00concretamente el cambio por unidad en la longitud,
08:03es lo que llamamos deformación.
08:04Es importante señalar que en esta etapa
08:07el material se comporta de manera elástica.
08:09Si quitamos la carga en este momento,
08:11simplemente regresa a su tamaño original.
08:13En un motor ocurrirá cierta deformación elástica como esta.
08:17No puede ser demasiado grande o causar problemas.
08:20Pero lo que no queremos es la deformación plástica,
08:23que la forma cambie permanentemente.
08:25Y eso es exactamente lo que sucede a medida que vamos aumentando la temperatura.
08:30Se está calentando.
08:31Esto es un poco de óxido.
08:34Ahí está.
08:36¿Ves cómo empieza a deformarse?
08:38Conforme la estructura metálica se deforma permanentemente,
08:41los enlaces se rompen y vuelven a formarse.
08:46Pero esto no es inmediato.
08:48Así que le pedí a Henry, nuestro ingeniero mecánico, que lo demuestre.
08:53Como puedes ver, tenemos un montón de burbujitas
08:56y, de manera natural, se agrupan en esta formación hexagonal.
09:00Y, en realidad, hay muchos materiales que tienen estructuras atómicas como esta,
09:03pero se puede ver que no es perfecta.
09:05Por ejemplo, aquí se puede ver que hay un medio plano extra de átomos,
09:09o, en este caso, burbujas.
09:11Esto se llama dislocación de borde.
09:16Y esto se pone interesante cuando intento separar esta balsa.
09:21Mira esas pequeñas líneas oscuras que se mueven de un lado a otro.
09:25Esas son dislocaciones y se desplazan a través de la retícula.
09:28Cuando la dislocación se mueve,
09:30esto hace que un plano de burbujas se deslice sobre el otro,
09:33lo que desplaza la estructura exactamente a un espacio.
09:36Pero no hay solo una dislocación.
09:38Hay muchas.
09:40Y, en conjunto, su movimiento produce cambios dramáticos en la forma general.
09:44Eso es justo lo que está pasando aquí.
09:47En las partes donde el estrés es suficientemente alto,
09:49miles de millones de dislocaciones se mueven e interactúan.
09:52El acero se deforma de manera continua bajo esta carga constante
09:55en un proceso llamado fluencia lenta.
09:57Se necesita energía para romper enlaces atómicos
10:00mientras una dislocación viaja por la retícula.
10:02Entonces, cuando aumenta la temperatura
10:04y los átomos adquieren más energía térmica,
10:06ya no se requiere tanto esfuerzo para romper estos enlaces,
10:09lo que facilita el movimiento de las dislocaciones.
10:11El metal se vuelve efectivamente más blando.
10:14Ahora la resistencia del acero disminuye tanto
10:17que la deformación por fluencia lenta dependiente del tiempo
10:20da paso a una deformación rápida.
10:21A medida que se estira, su sección transversal disminuye rápidamente
10:25y finalmente el metal restante ya no puede soportar la carga.
10:30Se podría intentar hacer pruebas similares con otros metales,
10:33como esta aleación de titanio.
10:35El titanio es más o menos la mitad de denso que el acero.
10:38Se debe sentir un poco más ligero.
10:40Sí, muchísimo más ligero.
10:41Si hiciéramos los álabes de la turbina de titanio,
10:44cada álabe sería mucho más ligero
10:45y eso reduciría las enormes fuerzas entrípetas que experimentaría.
10:49Así que parece una gran elección.
10:51Y al principio funciona bastante bien.
10:53Está a 100 grados.
10:54Está resistiendo.
10:55Pero a medida que la temperatura aumenta...
10:58Oh, puedo ver algo que brilla.
10:59Está rojo.
11:00Oh, mira esto.
11:02Está rojo.
11:02¡Ah, ya se fue!
11:04Igual que el acero, su resistencia disminuye rápidamente
11:07con el aumento de la temperatura.
11:08Eso pasa con la mayoría de los metales.
11:11Sin embargo, el primer motor a reacción,
11:14que data de 1941, utilizaba álaves de acero.
11:18Lo diseñó el piloto e ingeniero británico Frank Whittle.
11:21Su motor impulsó el primer vuelo de un avión a reacción británico,
11:25el prototipo Gloucester E2839.
11:27Cuando un colega le dijo emocionado a Whittle,
11:30Frank, vuela,
11:31él respondió con ironía,
11:32pues para eso se diseñó, ¿o no?
11:35Pero el prototipo de Whittle tenía dos defectos importantes.
11:38El primero era que el gas dentro del motor
11:41solo alcanzaba temperaturas de alrededor de 780 grados Celsius,
11:45una de las razones por las que era ineficiente.
11:47Y el segundo era que solo podía volar hasta 10 horas.
11:50Si volaba más tiempo,
11:52era muy probable que las piezas dentro del motor fallaran.
11:55Estos dos problemas se debían en gran medida
11:57a los álabes de acero de la turbina.
11:59Algo que se me ocurrió es...
12:01¿Por qué no los hacen de tuxteno?
12:03Pues el tuxteno solo se funde hasta los 3400 grados Celsius,
12:08que es más del doble de la temperatura
12:10dentro de un motor a reacción moderna.
12:12Pero el tuxteno también es increíblemente denso,
12:15alrededor de dos veces y media más denso que el acero,
12:18y además es frágil,
12:19lo que dificulta su fabricación.
12:20Y usar un material tan pesado
12:23no solo sería un problema para el álabe.
12:25Los componentes que sostienen el álabe en el motor
12:28también tendrían que soportar cargas más altas,
12:30muy superiores de lo que por ahora pueden aguantar.
12:33Se puede optimizar una cosa,
12:35como el punto de fusión,
12:36u otra, como la resistencia o el peso,
12:39pero la turbina lleva cada variable al límite.
12:43Entonces, ¿de qué están hechos realmente estos álabes?
12:47Bueno, para averiguarlo,
12:48fuimos a la instalación de fundición de precisión
12:50de Rolls-Royce en Derby,
12:52y resulta que las partes metálicas más avanzadas del mundo
12:55inician su vida como algo sorprendente.
12:59¿Qué son esas cosas rosa y verde de ahí?
13:02Ven, ven, te lo muestro.
13:03Vale, bien.
13:03Te lo muestro.
13:04Estoy viendo muchas cosas interesantes aquí.
13:06¿Qué es todo eso?
13:07¿Por qué se ve así?
13:08Apenas entro a esta sala y huele a cera.
13:11Claro.
13:11Huele a fábrica de velas aquí.
13:13Totalmente.
13:13La fundición a la cera perdida
13:15es una tecnología muy, muy antigua.
13:17Nuestros ancestros utilizaron la fundición a la cera perdida
13:20para fabricar joyas y armas durante milenios.
13:22Aquí lo perfeccionamos para hacer álabes de turbina.
13:25Está muy loco.
13:26Esto no es para nada lo que pensé que sucedió.
13:29Los álabes de turbinas me parecen
13:31una de las cosas más avanzadas tecnológicamente.
13:33Sí.
13:34Y sin embargo, esta fábrica utiliza cera
13:37como punto de partida.
13:39Lo que van a ver durante nuestro recorrido hoy
13:42es que en realidad es un proceso altamente tecnológico.
13:46Este es el molde del patrón de cera.
13:48Así es como un álabe de turbina comienza su vida.
13:51Esto es lo que va a ir dentro del patrón de cera.
13:53Un centro de cerámica.
13:55Esto va a formar el hueco dentro del álabe.
13:58Lo que estamos viendo es que estamos inyectando el molde.
14:02Y así es realmente como inicia la vida de un álabe de turbina.
14:06Esto es genial.
14:07Notarás que muchas de estas características
14:09como el perfil aerodinámico y las superficies anulares
14:11no se modifican más.
14:13Lo fundiremos y permanecerá tal cual cuando vaya al motor.
14:17Cada superficie tiene que ser perfecta
14:19porque esta cera es lo que se convierte en álabe.
14:23Kim es la persona quien ensambla los patrones de cera.
14:26Ella es la responsable de sacar el producto del molde.
14:30Y se asegura de eliminar cosas como las marcas del molde
14:33donde se unen las partes del molde,
14:35dejan una pequeña rebada.
14:36En todo ensamblaje de cera, la clave es la uniformidad.
14:40Cada pequeña imperfección en la cera se convertiría en un defecto en el metal,
14:44así que esto requiere muchísima habilidad.
14:47El paso siguiente es unir ese patrón de cera al rodete
14:50para crear el ensamblaje.
14:51Estoy pensando una cosa.
14:53¿No deberían hacer esto con un robot?
14:56¿No?
14:56Sí, sí, sí.
14:57Rolls-Royce tiene unidades donde hacen esto con robots,
15:00pero la nuestra en particular está muy enfocada
15:03en generar esos nuevos productos.
15:05Y nos es mucho, mucho más fácil trabajar con seres humanos
15:09para desarrollar ese método de fabricación
15:11que va a atraer la próxima generación de productos.
15:14Seguro, se puede ver la habilidad.
15:16Es fenomenal.
15:16Yo haría un desastre.
15:17Totalmente, yo también.
15:18¿Quieres intentar?
15:19No.
15:21Cuando el ensamblaje de cera queda perfecto,
15:24pasa a la siguiente etapa.
15:25Todo lo que es de cera se convertirá en aire,
15:28espacio negativo, se convierte en cavidad.
15:31Luego llenaremos ese aire con metal.
15:34Con este ensamblaje de cera hay que construir una carcasa.
15:38La carcasa está compuesta por muchas capas.
15:40Es un sistema de carcasa a base de circonio.
15:43La vamos a sumergir en una lechada primaria,
15:45delgada, como un jarabe ligero o una miel fine.
15:48Ah, sí.
15:49Y está diseñada para mapear
15:51todas esas características geométricas tan complejas.
15:55¡Hermoso!
15:55Es como hacer glaseado.
15:58Esa es justo la analogía que usamos.
16:00Es como si pusieras glaseado sobre un bollo o un pastel.
16:04Necesitas espolvorearlo con un poco de azúcar después,
16:07si no, todo se va a deslizar desde arriba.
16:08Ya le aplicamos la lechada.
16:10Va a quedar una capa uniforme.
16:11La escurrimos, nos aseguramos de que sea delgada y pareja
16:14y luego la lijamos.
16:15Así fijamos esa capa.
16:17¡Genial!
16:19¡Wow!
16:21Luego se seca el aire durante muchas, muchas horas
16:23y entonces podemos crear las capas de respaldo.
16:26Las capas de respaldo son de una mezcla mucho más espesa,
16:29más como una melaza,
16:30y la arena es mucho más gruesa como azúcar granulada.
16:32Y vamos a poner cuatro, cinco o incluso seis capas para reforzar,
16:37porque necesitamos un molde que pueda soportar
16:39los parámetros de fundición a los que lo sometemos.
16:42Es, es...
16:42Esto lleva mucho trabajo.
16:44Luego la cera se derrite
16:46y el molde se cuece.
16:48¡Oh, sí!
16:51¡Increíble!
16:52Se limpia y se prueba para asegurarse de que no tenga grietas.
16:55Al final, esta carcasa estará preparada para contener metal fundido.
16:59Este es un lingote de aleación que va a llenar el hueco del molde.
17:02Solo esta cantidad de metal va a llenar el hueco de este molde.
17:05No parece suficiente.
17:07Esta es una aleación de níquel.
17:09Las primeras utilizadas en motores a reacción se desarrollaron en los 40.
17:13Al agregar cromo y cobalto,
17:15los ingenieros crearon aleaciones que podían soportar
17:17de 800 a 900 grados Celsius,
17:20aproximadamente 100 grados más que el acero utilizado anteriormente.
17:23Y estas aleaciones pudieron mantener su resistencia durante miles de horas,
17:27mejorando su vida útil 10 veces.
17:29Pero el verdadero avance llegó cuando añadieron un toque de aluminio.
17:33Quisimos ver cómo se comportaba en las mismas condiciones de laboratorio que el acero y el titanio.
17:38¿A qué temperatura está ahora?
17:40Está a 700 grados.
17:42700, muy lejos del acero.
17:44Muy lejos del acero.
17:45Está a 800 grados.
17:46800, sí.
17:48De hecho, alrededor de esta temperatura se está volviendo más fuerte.
17:52Pero, ¿por qué calentar un metal lo haría más fuerte?
17:56Cuando estas aleaciones de níquel se usaron por primera vez en los motores a reacción, no se sabía.
18:01Pero unos 10 años después, con los avances de los microscopios electrónicos,
18:05los ingenieros pudieron ver qué ocurría dentro.
18:08Al acercarnos a la aleación, aparece un patrón.
18:11La microestructura no es uniforme.
18:14Parece más bien una retícula urbana formada por cuadras y calles.
18:19Solo que cada manzana es tan pequeña que se podrían alinear 300 en el ancho de un cabello humano.
18:27Sorprendentemente, tanto las calles como las cuadras están formadas por los mismos átomos,
18:31sobre todo níquel con un poco de aluminio.
18:33Incluso tienen la misma estructura cristalina,
18:35una roja de pequeños cubos con átomos situados en las esquinas y en el centro de cada cara.
18:40La única diferencia es que los átomos están dispuestos de una manera algo distinta.
18:44En la estructura de las calles, el aluminio y el níquel pueden ocupar cualquier lugar.
18:48No hay secuencias repetitivas de cubo a cubo.
18:51Esto se conoce como fase gamma.
18:53Pero en las cuadras, el aluminio siempre ocupa las esquinas y el níquel las caras.
18:58Y hay un patrón perfecto que se repite cubo a cubo.
19:02Esto es la fase gamma prima.
19:04Y es esta diferencia la que resulta crucial cuando una dislocación intenta deslizarse por la retícula.
19:09En las calles, este movimiento es sencillo.
19:11Cada capa de átomos puede deslizarse sin problema sobre la siguiente sin alterar la estructura que queda detrás.
19:17Pero al intentar hacer lo mismo en las cuadras, se estaría cambiando el orden de los átomos.
19:22El níquel y el aluminio terminan en lugares incorrectos.
19:25Eso requiere energía, por lo que la retícula se resiste.
19:29Cuando una dislocación que se mueve por las calles se topa con una cuadra, se atora.
19:33Y eso es lo que hace que esta aleación sea tan fuerte.
19:35Pero si las fuerzas y la tensión aumentan lo suficiente, la dislocación finalmente puede abrirse camino.
19:41El truco está en que esta dislocación deja la red en un desorden de alta energía, tal que la única
19:46forma en que puede seguir moviéndose es si hay una segunda justo detrás que vuelva a poner todo en orden.
19:51En la fase gamma prima, las dislocaciones tienen que viajar en pares, llamados super dislocaciones.
19:57Necesito la creación de esas super dislocaciones y necesito esa tensión muy alta para que puedan deslizarse.
20:02Por eso la resistencia es muy alta comparado con las otras aleaciones.
20:06Lo que sucede es que al final como se están deslizando a través de esa gamma prima con dos dislocaciones,
20:11a medida que la temperatura aumenta, estás agregando cada vez más energía térmica al material y los átomos van a
20:15vibrar cada vez más, más, más, más, más.
20:17Entonces, es probable que mientras hago esto y estoy oscilando entre tres dimensiones,
20:22la energía térmica haga que me deslice hacia abajo, en lugar de deslizarme en un solo plano.
20:29Si uno se desliza hacia abajo, ya no está en el mismo plano.
20:32Imagina que estuviéramos parados en fila, y la única forma en la que puedes moverte es si yo te empujo,
20:38¿no?
20:38Yo sigo empujándote y de repente te caes.
20:40Si ahora intento empujarte, ya no te encuentro, ya no estás frente a mí, tus hombros ahora están debajo de
20:46mí.
20:46¿Pero por qué me empujas?
20:49Debe haber usado el ejemplo donde tú me empujas a mí, pero bueno.
20:53Pero es justo eso, es la analogía perfecta, ya no hay nada que me empuje, yo ya no puedo hacerlo.
21:00Ahora tienes estas dos dislocaciones que están en planos distintos, por lo que ya no pueden moverse juntas,
21:05y como resultado, ambas están atoradas.
21:08Y puedes ver ese efecto en esta gráfica.
21:10Mientras que la resistencia del acero y el titanio disminuye, en la superaleación de níquel, alcanza un pico.
21:15Eso se debe a que la energía térmica adicional permite que más dislocaciones cambien de plano y se separen.
21:20Es eso lo que detiene el movimiento de las dislocaciones.
21:23Pero si gamma prima es tan fuerte, ¿por qué no hacemos todo el álabe con ella?
21:28Bueno, esa resistencia tiene un costo.
21:30Gamma prima detiene las dislocaciones de manera tan efectiva que se vuelve frágil.
21:35Solo se necesita una grieta o un impacto repentino para ocasionar una falla súbita.
21:40Entonces, el verdadero truco es tener el equilibrio adecuado entre tener suficiente gamma prima para atrapar las dislocaciones y prevenir
21:46esta afluencia.
21:46Pero también suficiente gamma para que la aleación sea dúctil y se pueda doblar sin romperse.
21:51Y en nuestra prueba se puede ver exactamente cómo se desarrolla eso.
21:55Mil grados y aún nada.
21:57¿Aún nada?
21:59Ahí está.
22:01Dios mío.
22:04Son...
22:04Son mil cien grados Celsius.
22:07Se estira.
22:10Todavía se mantiene, ¿no?
22:12Lo está haciendo bien.
22:13Mil doscientos grados Celsius.
22:15Mil doscientos.
22:16Aquí el programa de temperatura se detiene.
22:19Y aún sobrevive.
22:20Resiste.
22:21Pero si elevas la temperatura demasiado, incluso esta aleación alcanza sus límites.
22:26El deslizamiento cruzado es más fácil.
22:28Las dislocaciones en pares ahora pueden saltar juntas entre los planos.
22:31Y los cubos ordenados de gamma prima se empiezan a disolver.
22:34Las dislocaciones se liberan y...
22:36Finalmente cede.
22:37¿O puede que...
22:38¿Se rompió?
22:39Ah, sí, se rompió.
22:41Pero no es solo la resistencia lo que hace especiales a estas aleaciones.
22:45Cuando se calienta la aleación, el aluminio en la superficie reacciona con el oxígeno
22:48para formar una capa delgada y continua de óxido de aluminio.
22:52A diferencia de los óxidos frágiles que se forman en otros materiales como el acero
22:56o el titanio, esta capa permanece intacta en altas temperaturas, protegiendo el metal
23:00subyacente.
23:01Y al agregar otros elementos se pueden ajustar estas superaleaciones.
23:05Cada uno aporta una propiedad específica que buscamos.
23:07La mayoría de las superaleaciones modernas contienen hasta 10 elementos diferentes cuidadosamente
23:12equilibrados en sus abundancias relativas para lograr las propiedades deseadas.
23:16El cromo mejora la resistencia a la oxidación y la corrosión.
23:20El cobalto titanio, niobio, tántalo y vanadio ayudan a estabilizar la fase gamma prima.
23:25El molibdeno y el hierro refuerzan la matriz gamma.
23:28Y luego está el renio.
23:30El renio tiene uno de los puntos de fusión más altos de cualquier metal, 3.180 grados
23:34Celsius.
23:35Solo lo supera el tuxteno.
23:37En la superaleación de níquel, ralentiza los rejustes a escala atómica, mejorando la
23:42resistencia de la aleación a la deformación, incluso en temperaturas superiores a los
23:45mil grados Celsius.
23:46Es uno de los elementos más raros de la corteza terrestre, con menos de una parte por mil millones.
23:52Y más del 80% de lo que extraemos termina aquí, en los motores a reacción.
23:58Pero incluso con estos avances en la química de aleaciones, todavía hay un problema fundamental.
24:04Y es que los metales son cristalinos.
24:06Todos los metales que ves, desde la punta de este bolígrafo hasta la cuchara en mi café,
24:12están compuestos por millones de pequeños cristales unidos entre sí.
24:16Son como los granos de este terrón de azúcar.
24:18Si lo aplasto, no es como si hubiera roto un solo cristal.
24:24Simplemente lo separé.
24:26Los límites entre los granos son el punto débil.
24:28Y lo mismo pasa en un metal.
24:30Si ampliamos las estructuras gamma y gamma prima, se ve algo así.
24:36Un cristal es básicamente una retícula tridimensional de átomos todos alineados en la misma orientación.
24:41Pero los cristales en sí tienen distintas orientaciones.
24:44Donde se unen, sus retículas no se alinean.
24:47Y esa incompatibilidad deja más espacios abiertos y enlaces rotos.
24:51Y también se generan defectos como vacantes e impurezas.
24:54Todo lo cual convierte a los límites de grano en el punto más débil.
24:58Y esto también tiene otra consecuencia.
25:00Facilita el movimiento de los átomos a lo largo de los límites.
25:03Se convierten en una especie de autopistas para la difusión atómica.
25:07Esto se vuelve aún más problemático a altas temperaturas cuando los átomos tienen más energía para moverse.
25:12Su maletensión, como las enormes cargas centrífugas en un álabe de turbina,
25:16y los granos pueden comenzar a deslizarse unos sobre otros.
25:20Toda la estructura se deforma lentamente, estirándose como caramelo caliente.
25:25Mientras tenga granos, se deformará y fallará con mucha más facilidad.
25:29Y ese es un problema muy difícil de resolver porque normalmente,
25:33mientras se enfría una aleación fundida, se empiezan a formar pequeños cristales por todo el líquido.
25:38Y hay que encontrar una manera de controlarlos.
25:41Este es uno de nuestros hornos.
25:43Todos se calientan por inducción.
25:45No hay ningún tipo de gas ardiendo ni nada por el estilo.
25:47Y todos son de vacío.
25:48Solo fundimos en vacío, en ausencia de cualquier atmósfera,
25:51pero especialmente oxígeno que, por supuesto, en lo metalúrgico,
25:54nos causaría todo tipo de problemas con óxidos.
25:56Se comienza vertiendo una superaleación fundida en un molde de cerámica montado verticalmente
26:00a casi la misma temperatura que la del metal fundido.
26:03El molde se llena de abajo hacia arriba.
26:06En el fondo del molde se encuentra una placa de cobre enfriada por agua.
26:10Su superficie tiene un patrón de diminutas ranuras que actúan como puntos de nucleación
26:14para que los primeros cristales comiencen a formarse.
26:16Es aquí donde comienza la solidificación.
26:19Luego, todo el molde desciende lentamente fuera de la zona caliente
26:22para que la solidificación continúe en una sola dirección.
26:26Es un proceso muy lento que dura varias horas.
26:28Una vez que termina, la máquina gira y empuja el molde terminado hacia arriba por el otro lado.
26:35Oh, wow.
26:38Nuestras temperaturas de fundición son de aproximadamente 1500 grados Celsius.
26:42Es más o menos la misma temperatura que tendría dentro del motor a reacción.
26:46¡Es absurdo!
26:47Estás fabricando los álabes de turbina a la misma temperatura a la que van a operar,
26:51pero aquí están líquidos.
26:53Ahora, si solo hiciéramos eso, terminaríamos con un álabe que se vería así.
26:58Este es un álabe solidificado direccionalmente.
27:02Y lo que tal vez puedas ver aquí es el contraste entre los granos.
27:06Todos estos son cristales diferentes, pero están alineados en este eje del álabe.
27:12Lo que lo hace significativamente más fuerte que una aleación fundida
27:16donde todos los cristales están separados entre sí.
27:18¿Entonces son cristales individuales?
27:21Son cristales individuales.
27:22Sí, absolutamente.
27:23Estamos viendo cristales a un nivel más macro,
27:26cuando normalmente hablábamos de cristales a un nivel micro.
27:31En una turbina en rotación, el álabe es traccionado en toda su longitud,
27:35con cristales columnares alineados a lo largo de este tramo.
27:38El álabe puede soportar esas tensiones de manera mucho más eficaz.
27:41No hay límites de grano que atraviesen el álabe
27:42y generen puntos débiles donde pueda agrietarse.
27:45Pero los científicos han encontrado una forma de hacerlo aún mejor.
27:48Si se agrega una curvatura encima de la placa de enfriamiento,
27:52ocurre algo extraño.
27:53El número de cristales columnares que logran pasar crecientemente.
27:58Y si se añade otra curvatura, sobreviven aún menos.
28:01Los ingenieros agregaron un conducto helicoidal conocido como pigtail,
28:06aquí en la parte inferior del molde.
28:08La función del pigtail es seleccionar el monocristal.
28:11La espiral va a ir eliminando todos los demás granos, excepto uno.
28:16Vamos a tener un solo grano que luego crecerá a través de todo el álabe.
28:20Y lo moldeará como un monocristal, al menos en teoría.
28:25¡Qué locura!
28:26Este es un iniciador unido a una espiral que hemos grabado para revelar esa estructura.
28:31Puedes ver que en la parte inferior se están comenzando a formar granos solidificados direccionalmente.
28:37Conforme subimos, se puede ver que esos granos solidificados direccionalmente siguen creciendo.
28:43Y luego, a medida que subimos por la espiral, los granos comienzan a ser descartados por las superficies superiores de
28:50la espiral.
28:50Hasta que en la parte superior solo queda un monocristal.
28:54Y eso permite que ese monocristal crezca a lo largo de todo el álabe.
28:57Impresionante.
28:58Y lo que deberíamos obtener al final es un álabe como este.
29:01Este es un álabe de un monocristal.
29:04Es muy impresionante verlo.
29:07El brillo es hermoso.
29:08Sí.
29:09Incluso cuando el álabe se ha solidificado, aún no está listo para el motor.
29:13Se calienta de nuevo casi hasta su punto de fusión.
29:16Y eso puede sonar arriesgado porque pasamos todo este tiempo asegurándonos de tener un monocristal perfecto.
29:21Pero este calentamiento permite que los átomos se reorganicen lo suficiente para distribuirse bien
29:26y formar la microestructura final deseada de las fases gamma y gamma prima,
29:31que hacen que estas superaleaciones sean tan fuertes.
29:34Y si fundirlo como un monocristal no fuera suficiente,
29:37la realidad es que la orientación de ese cristal también es de suma importancia.
29:42Así puede que hayas fundido esto como un monocristal.
29:46Pero si la orientación del cristal está desviada un poco,
29:49obtendrás respuestas distintas a las tensiones dentro del álabe.
29:53Actualmente, después de décadas de desarrollo,
29:56más del 95% de los álabes pueden moldearse con éxito como monocristales.
30:01Piensa en lo increíble que es eso.
30:03Hemos pasado de un álabe de turbina que contenía alrededor de 50.000 granos de cristal
30:08a tener solo uno.
30:10Cuando creamos estas estructuras, no se solidifican formando un frente uniforme.
30:15En una escala microscópica, el frente de solidificación se asemeja a un bosque de diminutas ramas
30:20en forma de árboles llamadas dendritas que se abren paso en el líquido.
30:24A primera vista, parece un caos millones de árboles individuales compitiendo por espacio.
30:30Hay hasta 10 elementos ahí, cada uno con su propia densidad y punto de fusión.
30:35Sin embargo, de alguna manera, cada uno de esos árboles se acopla exactamente a la misma red cristalina.
30:42El cristal final está compuesto por más de 6 por 10 a la 24 átomos.
30:47Eso es más estrellas de las que hay en el universo observable.
30:51Todos estos átomos repiten el mismo patrón, perfectamente alineados de raíz a punta.
30:57Esto transformó por completo lo que pueden hacer los motores a reacción.
31:01Los álabes de monocristal pueden soportar tensiones y temperaturas que destruirían las aleaciones comunes.
31:06Duran hasta 9 veces más frente a la afluencia y la fatiga térmica,
31:10y son más de 3 veces más resistentes a la corrosión que los álabes hechos con varios granos.
31:15Por eso los motores a reacción modernos ahora pueden funcionar por 25.000 horas entre revisiones mayores.
31:22Algo que hubiera sido impensable antes.
31:25Y el impacto ha sido enorme.
31:27Entre 1960 y 2010, los aviones a reacción se volvieron un 55% más eficientes en el consumo de combustible,
31:34y en gran parte se debe a los avances en estas superaleaciones de níquel.
31:38En la década de los 60, volar era un lujo que pocos podían permitirse.
31:42Un vuelo de ida de Nueva York a París costaba 310 dólares, lo que equivale a unos 3.750 dólares
31:49al día de hoy.
31:50Pero conforme los motores se hicieron más eficientes, capaces de soportar más calor y equipados con ventiladores más grandes,
31:56los aviones aumentaron su capacidad y distancia usando menos combustible.
32:00Los boletos se abarataron y el transporte aéreo se disparó.
32:03Hoy, en cualquier momento, hay entre 10.000 y 14.000 aviones en el cielo.
32:08Ese nivel de movimiento es posible gracias a estos álabes de turbina.
32:14En el horno, la superaleación de níquel supera a todas las demás muestras resistiendo hasta 1.200 grados Celsius.
32:22Pero espera, siguen siendo 300 grados menos que la temperatura dentro de un motor a reacción.
32:27¿Por qué no se derriten los álabes?
32:29Bueno, hay dos últimas capas de defensa.
32:32La primera está integrada en la forma del mismo álabe.
32:35Luego, tenemos que elixiviar el núcleo y lo hacemos en una solución cáustica de hidróxido de potasio y sodio,
32:43a cierta presión y temperatura para disolver el núcleo.
32:46Eso va a dejar los conductos del núcleo completamente vacíos.
32:51Y esos conductos son el verdadero secreto de la supervivencia de los álabes.
32:54A medida que el aire fluye, es turbulento y, por lo tanto, puede eliminar mucho más calor de la superficie
33:02del álabe.
33:02¿Te refieres a estos relieves?
33:04Exacto, sí, estos relieves.
33:05¿Son intencionales para disparar el flujo hacia...?
33:08Para disparar y turbulizar el flujo de aire, de manera que extraiga la mayor cantidad de calor posible del metal.
33:13Y llegamos a la parte interesante, el enfriamiento por película.
33:16Como en el ejemplo del cubo de hielo en el horno, queremos mantener los álabes frescos.
33:21Aquí comenzamos a perforar lo que llamamos orificios de enfriamiento por película.
33:26Lo que buscamos es acceder a esos conductos de enfriamiento.
33:29Vimos antes este núcleo.
33:31Estos conductos de enfriamiento están dentro.
33:34Los orificios deben llegar directamente a esos conductos de enfriamiento para permitir que el aire salga.
33:39Entonces el aire va a fluir, como una película sobre la superficie del álabe.
33:44Un agujero de enfriamiento por película para crear una capa de aire que evita que el metal se derrita a
33:49esas temperaturas.
33:51Este aire de enfriamiento no es precisamente frío.
33:54En realidad proviene de la sección del compresor de alta presión del motor a unos 600 grados Celsius,
33:58pero es lo suficientemente fresco como para que los álabes no se derritan.
34:02Pero eso no es suficiente.
34:03Y no se puede solo agregar más aire de enfriamiento porque cada extra de aire que se utiliza del compresor
34:09se pierde en el empuje y eso hace que el motor sea menos eficiente.
34:14Por eso, cada álabe de la turbina también está recubierto con dos capas protectoras.
34:19Primero, una fina capa de enlace metálico que resiste la oxidación
34:22y luego una capa superior de cerámica.
34:25Aunque solo tiene un grosor de aproximadamente un cuarto de milímetro,
34:28este recubrimiento cerámico puede mantener el metal debajo suyo entre 100 y 170 grados más frío de lo que estaría
34:34sin él.
34:34Y esta es la última barrera que impide que los álabes se derritan.
34:38Ahora que tenemos esta increíble pieza de ingeniería que puede soportar el gas a 1500 grados,
34:44la carga intensa y la oxidación, el problema debería estar resuelto.
34:49Bueno, debería, salvo por un detalle.
34:52A 36.000 pies de altura, no lo creerías,
34:56pero hay suciedad y polvo en la atmósfera que nuestros motores absorben.
35:01El polvo y la suciedad se adhieren a los álabes,
35:04pero también pasan por todo el circuito de enfriamiento
35:08y bloquean el paso del aire que enfría los álabes.
35:13Y entonces se queman.
35:15Cada vez que me subo un avión pienso, esto no funcionará.
35:19No, es increíble cómo puede funcionar un motor,
35:23porque hay muchas piezas en movimiento, muchas partes, el entorno es terrible.
35:27Y además hay polvo y suciedad, lo cual es muy malo.
35:31Estoy en Testbed 80 y están a punto de encender este motor a reacción y luego lanzarle polvo.
35:38El mismo material que compone la arena y la ceniza volcánica
35:42es exactamente lo que los motores reales encuentran en vuelo.
35:45Este es el motor 97K.
35:46Se utiliza en el A350 y es nuestra versión de alto empuje.
35:51Produce 97.000 libras de empuje.
35:54Cuando estamos operando un motor como este,
35:56intentamos recrear cuidadosamente lo que sucede en servicio.
36:02¿Cuánto polvo entra en el motor?
36:04No mucho.
36:05Fue sorprendente cuando descubrí cuánto ponemos en realidad.
36:08Hablamos de cucharadas por ciclo.
36:11¿Control del sol encendido?
36:12¿Energía de acondicionamiento encendida?
36:15Palanca de combustible activada.
36:17Comando de arranque en 3, 2, 1, ahora.
36:28¿Pero qué le hace realmente al motor a reacción el polvo que entra?
36:31Una vez que llega a la sección caliente del motor y alcanza los álabes de turbina,
36:36se va a derretir.
36:37Y entonces se adhiere al exterior de los componentes de la turbina
36:42y lentamente arranca capas del recubrimiento de la barrera térmica.
36:45Y se pierde la reducción de temperatura que proporciona el recubrimiento
36:50y la alienación de níquel debajo se calienta cada vez más.
36:54Ahí es cuando comienza a deteriorarse la turbina.
37:01Por eso los ingenieros de Rolls-Royce siguen perfeccionando estos álabes,
37:05desarrollando nuevos recubrimientos cerámicos diseñados para resistir el polvo funtido
37:09y extender la vida útil de la turbina hasta en un 30%.
37:11Ese es solo el último paso en una historia que se ha ido desarrollando por décadas.
37:15Estos álabes se han refinado y perfeccionado
37:18hasta el punto en que operan justo al límite de lo que es básicamente posible.
37:23Siempre están al filo de la navaja, llevando cada material, cada proceso al límite
37:27para construir un motor que pueda ser lo que parece imposible,
37:30funcionar a temperaturas más altas que su punto de fusión.
37:33Entre más aprendía sobre el entorno brutal que estos álabes deben soportar,
37:37más me parecía que no debían funcionar.
37:40Y sin embargo, lo hacen.
37:42Todos los días estas máquinas transportan a millones de personas por todo el mundo
37:46y apenas nos detenemos a pensar en ellas.
37:48Son un monumento a la inventiva humana,
37:50a lo que ocurre cuando nos negamos a aceptar límites,
37:53cuando convertimos lo imposible en rutina.
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