Uno de los componentes más importantes de los satélites que permiten las telecomunicaciones es la guía de ondas, que es un tubo metálico para guiar las ondas de radio. También es una de las cargas útiles más pesadas que los satélites ponen en órbita. Como ocurre con toda la tecnología espacial, reducir el peso significa reducir la cantidad de combustible costoso y que produce gases de efecto invernadero que se necesita para lanzar un cohete o aumentar la cantidad de dispositivos que lleva el mismo cohete al espacio.

Investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad de Columbia Británica están intentando aligerar la carga creando y probando una guía de ondas hecha de polímeros impresos en 3D recubiertos con un nanomaterial conductor llamado MXene.

En su artículo publicado recientemente en la revista Materials Today , el grupo informó sobre el potencial del uso de recubrimientos MXene para impartir conductividad eléctrica a componentes livianos no conductores, una propiedad sacrificada en la fabricación aditiva que utiliza materiales poliméricos, como los plásticos.

"En las aplicaciones de vuelos espaciales, cada gramo extra de peso cuenta", afirmó Yury Gogotsi, Ph.D., Universidad Distinguida y Profesor Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, líder en la investigación de MXene. "Los materiales MXene proporcionan uno de los recubrimientos más delgados posibles (sus escamas tienen un espesor de unos pocos átomos) que pueden crear una superficie conductora, por lo que vemos un gran potencial en el uso de MXene para tratar componentes fabricados con aditivos hechos de polímeros que tienen formas complejas".

Las guías de ondas funcionan como tuberías para las microondas. Dirigen las ondas a los receptores preservando la potencia de la señal. En un horno microondas, las guías de ondas aseguran el calentamiento de los alimentos; en un satélite, transfieren señales de alta calidad entre diferentes objetos dentro y entre satélites, así como entre satélites y la Tierra.

Y, al igual que la intrincada red de tuberías que atraviesan una casa, las guías de ondas están diseñadas en varias formas para caber en espacios reducidos. Pueden variar desde canales simples y rectos hasta estructuras tan complejas como un laberinto.

"Las guías de ondas pueden ser tan básicas como un canal recto y rectangular, o pueden transformarse en formas que se asemejan a una 'pajita loca', con curvas y giros", dijo Mohammad Zarifi, profesor asociado que estudia la comunicación por microondas en la Universidad de Columbia Británica y lideró los esfuerzos de diseño e ingeniería eléctrica del equipo. "Sin embargo, el verdadero punto de inflexión es la llegada de los métodos de fabricación aditiva, que permiten diseños más complejos que pueden ser difíciles de producir con metales".

Si bien casi cualquier tubo hueco podría usarse como una "guía de ondas" primitiva, los que transmiten ondas electromagnéticas (en hornos microondas y dispositivos de telecomunicaciones, por ejemplo) deben estar hechos de un material conductor para preservar la calidad de la transmisión. Estas guías de ondas suelen estar hechas de metales como plata, latón y cobre. En los satélites, el aluminio es la opción más ligera.

Los investigadores de Drexel, que descubrieron 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 los componentes plásticos de la guía de ondas basándose en sus descubrimientos previos de que MXenes puede bloquear y canalizar electromagnéticamente. radiación.

"Nuestro recubrimiento MXene surgió como un fuerte candidato para esta aplicación porque es altamente conductor, funciona como un escudo electromagnético y puede producirse simplemente sumergiendo la guía de ondas en MXenes dispersos en agua", dijo Lingyi Bi, Ph.D. candidato del grupo de Gogotsi. "Se han probado otras pinturas metálicas, pero debido a los productos químicos utilizados para estabilizar sus ingredientes metálicos, su conductividad sufre en comparación con las MXenes."

Además, los investigadores informaron que el recubrimiento MXene se adhirió excepcionalmente bien a las guías de ondas de nailon impresas en 3D debido a la compatibilidad entre sus estructuras químicas. El equipo recubrió guías livianas de diferentes formas y tamaños (rectas, curvadas, retorcidas y con forma de resonador) para probar la capacidad de MXene para cubrir completamente su interior.

Las guías de ondas de nailon recubiertas de MXene pesan aproximadamente ocho veces menos que las de aluminio estándar que se utilizan actualmente, y el recubrimiento MXene agregó solo una décima de gramo al peso total de los componentes.

Lo más importante es que las guías de ondas MXene funcionaron casi tan bien como sus contrapartes de aluminio, mostrando una eficiencia del 81 % en guiar ondas electromagnéticas entre dos terminales después de solo un ciclo de recubrimiento por inmersión, solo una caída del 2,3 % con respecto al rendimiento del aluminio. Los investigadores demostraron que podían mejorar esta métrica de transmisión variando las capas de recubrimiento o el tamaño de las escamas de MXene, alcanzando una eficiencia de transmisión máxima del 95 %.

Este rendimiento se mantuvo estable cuando la transmisión se conectó a las diferentes bandas de frecuencia, como las que se utilizan actualmente en las comunicaciones por satélite en órbita terrestre baja, y a una potencia de entrada suficientemente alta para estas transmisiones. Tampoco se degradó significativamente después de tres meses, un indicador de la durabilidad del revestimiento.

"Las guías de ondas recubiertas de MXene todavía necesitan pasar por pruebas exhaustivas y ser certificadas para uso espacial antes de que puedan usarse en satélites", dijo Roman Rakhmanov, candidato doctoral en Drexel que participó en la investigación. "Pero este hallazgo podría ser un paso importante hacia la próxima generación de tecnología espacial".

El equipo de Gogotsi planea continuar su exploración de los recubrimientos MXene en aplicaciones que podrían beneficiarse de una alternativa a los componentes metálicos.

"Estos resultados prometedores sugieren que los componentes recubiertos con MXene podrían ser un reemplazo liviano y viable para las guías de ondas utilizadas en el espacio", dijo Gogotsi. "Creemos que los recubrimientos también podrían optimizarse para transmisiones de diferentes frecuencias y aplicarse a una variedad de componentes poliméricos fabricados con aditivos o moldeados por inyección, proporcionando una alternativa liviana y de bajo costo a los metales también en una serie de aplicaciones terrestres. "

Más información: Omid Niksan et al, MXene guía las microondas a través de estructuras poliméricas 3D, Materials Today (2024). DOI:10.1016/j.mattod.2023.12.013

Proporcionado por la Universidad de Drexel