Espuma metálica para construcciones espaciales

De Wikipedia:

Una espuma metálica es una estructura celular que consta de un metal sólido, frecuentemente aluminio, así como una gran fracción de volumen de poros llenos de gas. Los poros se pueden sellar (espuma de celda cerrada) o pueden formar una red interconectada (espuma de celda abierta). La característica definitoria de las espumas metálicas es una porosidad muy alta: normalmente, entre el 75 y el 95 % del volumen consiste en espacios vacíos que hacen que estos materiales sean ultraligeros. La resistencia del metal espumado posee una relación de ley de potencia con su densidad; es decir, un material con una densidad del 20% es más del doble de fuerte que un material con una densidad del 10%.

Las espumas metálicas suelen conservar algunas propiedades físicas de su material base. La espuma hecha de metal no inflamable seguirá siendo no inflamable y, por lo general, la espuma se puede reciclar para volver a su material base. El coeficiente de expansión térmica también seguirá siendo similar, mientras que la conductividad térmica probablemente se reducirá.[1]

Esto indica que se podría usar espuma metálica en su estructura, pero habría varias multas a pagar. La primera y más obvia es la relación de ley de potencia entre densidad y fuerza. Mientras que el metal espumado será sorprendentemente ligero, no es sorprendentemente fuerte. Las estructuras giratorias, como una colonia espacial, estarán bajo mucha tensión, por lo que los metales espumados no deben ser elementos estructurales, o al menos no a menos que estén respaldados por una red de cables o redes para proporcionar resistencia en tensión.

El otro problema en el espacio es que el medio ambiente es altamente radiactivo, por lo que se necesita una masa sólida de "cosas" para bloquear la radiación cósmica y solar entrante. The Millennial Project: Colonizing the Galaxy in Eight Easy Steps de Marshall T. Savage (mi libro de referencia para este tipo de cosas, muy recomendable) establece que se necesitarían 5 metros de agua o una cantidad equivalente de hormigón o regolito para mantener la radiación niveles dentro de la colonia a niveles de la Tierra. Sin rodeos, una espuma de metal no va a tener casi el poder de frenado de una pieza de metal sólido de tamaño similar. Puede usar la espuma metálica como matriz para algún tipo de material compuesto, con los poros de la espuma metálica sosteniendo algo más para absorber la radiación entrante, pero esto resta valor a la propiedad de peso ligero de la espuma metálica,

Las espumas metálicas pueden ser elementos no portantes, como paneles de pared, con buenas propiedades de aislamiento térmico y acústico y muy ligeros y fáciles de trabajar, pero para los principales elementos estructurales, no tanto.

Hay una ventaja para las espumas metálicas en algunos casos. Si desea aumentar la fuerza para resistir cargas de flexión o torsión, el mayor espesor (para la misma masa de metal) es una gran ventaja.

Es probable que haya algunos componentes en una estación espacial que se beneficiarían de la espuma metálica. Sin embargo, la mayoría de los componentes no tendrán que resistir la torsión o la flexión y, principalmente, tendrán que soportar cargas de estiramiento o compresión, para lo cual los materiales de espuma son algo peores que los materiales convencionales. Una viga en compresión que está sujeta a pandeo es un ejemplo de carga de flexión que tendría sentido para los materiales de espuma.

El acero espumado realmente no está disponible comercialmente en la actualidad, pero puede ser más fácil de fabricar en gravedad nula.

Por lo tanto, una minoría de los componentes se beneficiaría del acero espumado. Pero la mayoría claramente no lo haría.

Si está levantando masa de la tierra para construir su estación, realmente no hay razón para usar acero espumado. Algunos compuestos tienen una mejor resistencia y también tendrían otras ventajas. El blindaje contra la radiación sería una de estas ventajas. Los plásticos termoestables son a menudo muy convenientes en comparación con lo que requeriría el acero espumado, aunque no son tan fuertes.

Si está fabricando acero a granel a partir de asteroides, etc., el acero espumado se vuelve mucho más atractivo ya que no hemos encontrado petróleo en el espacio y no esperamos hacerlo pronto.

Ahora a la pregunta planteada. ¿Podrías hacer tu orbital usando acero espumado? Sí, creo que podrías. No tengo datos sobre la resistencia real del acero espumado (realmente no está en el mercado), pero según lo que aprendí en ingeniería de materiales, supongo que es más débil que los componentes de acero estándar por 2 razones. 1) Sería difícil controlar el proceso de enfriamiento en acero espumado para obtener la mejor resistencia posible. 2) Las grietas tienden a formarse en materiales cerca de curvas pronunciadas en el material: las esquinas agudas tienen regiones de mayor tensión. Dado que el acero espumado no sería más que esquinas afiladas, esperaría que fallara más rápidamente que el acero a granel equivalente.

IIRC, se calculó que el toro de Stanford tenía un margen de seguridad normal incluso si el radio se extendía a 4 km (un poco más del doble). Dado eso, asumiría que incluso la resistencia reducida del acero espumado no rompería la seguridad del diseño. Pero, sin datos reales de fuerza, esto es solo una suposición.

Es probable que el aluminio espumado sea una mejor opción, ya que es más fuerte por unidad de masa y actualmente podemos producir aluminio espumado con una facilidad razonable. Sin embargo, si desea que su estación dure más de unos pocos años, vuelva al acero. El aluminio tiene la mala costumbre de desmoronarse después de una serie de ciclos de expansión y contracción. El acero no hace esto, dependiendo de la aleación. Siempre que la deformación del acero esté por debajo de un cierto umbral, puede someterlo a ciclos de tensión millones de veces sin que se formen grietas ni se rompa. No importa cuán pequeña sea la deformación, el aluminio siempre formará grietas y se romperá con un ciclo de estrés suficiente. En el espacio, siempre habrá un ciclo de estrés derivado del ciclo térmico, que puede ser tan frecuente como 90 minutos en órbita terrestre baja.