O potencial da nanotecnologia na indústria aeroespacial

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O tamanho pequeno, a natureza leve e as propriedades benéficas de muitos nanomateriais significam que eles têm sido de interesse de muitas indústrias de alta tecnologia, especialmente aquelas que exigem propriedades mecânicas de alto desempenho, como a indústria aeroespacial e a indústria automotiva. Com o aumento do financiamento para aplicações aeroespaciais, realizado por diversos governos pelo mundo, vários produtores de nanomateriais estão trabalhando com a indústria aeroespacial para melhorar as peças e sistemas de aeronaves que usam nanomateriais.

Dado o interesse e investimento, juntamente com a necessidade de inovação constante no setor aeroespacial, não demorará muito para que comecemos a ver os nanomateriais serem usados ​​regularmente em aeronaves. Neste texto examinamos algumas das principais áreas emergentes atualmente nas quais áreas os nanomateriais têm mais potencial.

Redução de Peso e Propriedades Mecânicas Aprimoradas

Na indústria aeroespacial – e em qualquer indústria de transporte – a leveza é uma das propriedades mais vitais que um material precisa possuir por trás da segurança/estabilidade. A indústria aeroespacial está constantemente tentando reduzir o peso de suas aeronaves, mantendo o mesmo nível de integridade mecânica, ou melhor, em suas estruturas e peças. Quanto mais leve for um avião, menos combustível ele usará. Usar menos combustível não só economiza emissões de carbono e melhora a eficiência de combustível; também reduz o custo de cada voo.

Ao longo dos anos, os aviões tornaram-se cada vez mais leves, e o tamanho pequeno e a natureza leve dos nanomateriais apresentam uma oportunidade para criar aeronaves ainda mais leves. Os compostos são amplamente utilizados para construir a estrutura da aeronave. A integração de nanomateriais nesses dispositivos melhora as propriedades de rigidez, resistência e robustez da fuselagem e dos componentes internos, ao mesmo tempo em que torna a aeronave mais leve. Juntamente com propriedades mecânicas aprimoradas, a integração de nanomateriais também pode introduzir propriedades aprimoradas de transferência de calor e resistência ao calor na fuselagem.

Um dos principais benefícios do uso de nanomateriais é que você não precisa usar muito nanomaterial em um dispositivo para ver os benefícios. Os benefícios são normalmente obtidos dentro de alguns% em peso, ou até menos de 1% em peso em alguns casos. A introdução de uma quantidade tão pequena também pode reduzir a quantidade de material necessária para realizar a mesma função. Assim, além de usar um aditivo mais leve, a redução da necessidade de material pode ser utilizada de forma sinérgica para reduzir o peso da aeronave.

O potencial dos nanomateriais para ir além dos compostos convencionais também existe. Nos últimos anos, tem havido muito interesse em usar a manufatura aditiva para criar peças de motor de zona quente (feitas de ligas metálicas) e materiais impressos em 3D. O potencial de integração de nanomateriais em termoplásticos impressos em 3D é promissor, pois pode ser uma maneira mais barata e rápida de substituir peças críticas e não críticas, especialmente peças pequenas e complexas, em aeronaves, garantindo que as propriedades mecânicas e de desgaste da peça não sejam modificadas.

Vários níveis de proteção aprimorada

Os nanomateriais têm o potencial de proteger as aeronaves dos elementos agressivos em que voam e dos muitos fatores diferentes que podem afetar a aeronave durante o voo. Muitos nanomateriais têm excelente estabilidade, juntamente com excelente condutividade/dissipação ou propriedades de isolamento (dependendo do material em questão e da aplicação). Essa proteção pode ser realizada integrando os nanomateriais na estrutura composta do mainframe da aeronave ou como um revestimento de barreira protetora na superfície da aeronave, permitindo o bloqueio direto ou a dissipação de um perigo externo.

Um exemplo de perigo externo que pode afetar aeronaves é o raio. As aeronaves correm sempre o risco de relâmpagos, especialmente nas asas, e se a energia não for dissipada de forma eficaz, pode causar graves danos estruturais à aeronave. No entanto, ao integrar/revestir nanomateriais altamente condutores, como o grafeno, nas asas dos aviões, você pode obter uma solução leve que dissipará eletricamente a energia do relâmpago. Em muitos planos, são utilizadas estruturas metálicas, que são pesadas, para dissipar os raios, mas há um impulso para que mais compósitos sejam utilizados. Assim, os nanomateriais oferecem o potencial para a criação de compósitos condutores leves que podem substituir eficientemente o status quo metálico.

A integração de nanomateriais em componentes críticos de uma aeronave também evita que o gelo se acumule nesses componentes e na superfície externa em geral. Juntamente com um peso reduzido, a adição de nanomateriais em diferentes componentes alivia o estresse termomecânico durante os ciclos de aquecimento e proporciona maior eficiência e menor consumo de energia. A estabilidade inerente dos nanomateriais e a estrutura composta estável subsequente podem ajudar a reduzir o acúmulo de gelo, proteger componentes críticos e evitar o “stall” aerodinâmico em aeronaves.

Muitos nanomateriais – especialmente materiais inorgânicos, além de alguns materiais orgânicos como o grafeno – têm alta resistência à temperatura, de modo que podem suportar temperaturas muito altas sem quebrar. Quando esses materiais são integrados a outros materiais, seja nos diferentes plásticos usados ​​em toda a aeronave ou nos tecidos usados ​​para o estofamento da aeronave, eles introduzem propriedades ignífugas ao material. Além de melhorar a resistência ao fogo, a introdução de nanomateriais em outros materiais também pode reduzir o nível de gases tóxicos liberados se eles pegarem fogo.

A adição de nanomateriais na estrutura da aeronave e componentes estruturais dentro de uma aeronave também pode amortecer as vibrações que entram no interior da aeronave. Isso pode ajudar a diminuir o ruído na cabine do lado de fora.

Além dos outros aprimoramentos de proteção mencionados acima, a resistência inerente, as propriedades mecânicas e a estabilidade de muitos nanomateriais significam que outras propriedades de proteção também podem ser introduzidas na aeronave juntamente com os principais benefícios. Estes incluem uma resistência à interferência eletromagnética (EMI) e raios de luz ultravioleta (UV), bem como maior resistência à corrosão.

Sistemas de Monitoramento e Sensores

Os sensores são parte integrante das aeronaves. Os sensores nas aeronaves medem tudo, desde níveis de combustível até temperaturas internas e condições externas, bem como vários aspectos dos motores para garantir que eles estejam funcionando corretamente. Dadas as altitudes e condições em que os aviões voam, bem como os diferentes fatores internos dos aviões comerciais, os sensores são uma tecnologia essencial no setor aeroespacial para monitorar e garantir que todos os sistemas críticos funcionem de maneira ideal e segura.

O uso de nanomateriais em sensores aeroespaciais pode ser benéfico. A integração de nanomateriais em sensores geralmente possibilita o desenvolvimento de sensores com alta sensibilidade. A sensibilidade resultante pode ser maior ou igual a sensores mais volumosos se o material correto for usado como superfície de detecção ativa. A natureza leve dos nanomateriais significa que você pode criar sensores muito pequenos e altamente eficientes. Para aplicações aeroespaciais, isso apresenta dois benefícios principais.

  • Como os nanomateriais permitem que os projetistas criem sensores menores, a indústria aeroespacial pode encaixar mais sensores em diferentes sistemas de aeronaves para monitorar mais parâmetros, aumentando a segurança geral e a otimização dos sistemas de aeronaves.
  • Como os nanosensores são muito menores que outros sensores, eles também são muito mais leves. Assim, para aeronaves onde a leveza é fundamental, os nanomateriais oferecem uma maneira de reduzir o peso dos sensores usados ​​na embarcação, o que tem um efeito positivo na eficiência de combustível e no consumo de combustível da aeronave.

Além dos sensores baseados em monitoramento mais convencionais, os nanomateriais podem oferecer benefícios potenciais nas câmeras hiperespectrais na frente da aeronave. Aproveitando a ampla largura de banda do espectro eletromagnético que muitos nanomateriais possuem, as câmeras hiperespectrais aprimoradas com nanomateriais podem detectar comprimentos de onda de luz visível, infravermelho próximo (NIR), infravermelho de comprimento de onda curto (SWIR) e infravermelho de comprimento de onda longo (LWIR), bem como fornecer capacidades de detecção mesmo em condições meteorológicas e de visibilidade ruins.

Conclusão

O tamanho pequeno, a natureza leve e a estabilidade dos nanomateriais, juntamente com outras propriedades específicas, como alta condutividade elétrica, significa que há muitas áreas em que a integração de nanomateriais em compósitos, revestimentos e dispositivos eletrônicos existentes trará benefícios para a indústria aeroespacial . Estes incluem, mas não estão limitados a, leveza aprimorada da aeronave, proteção contra os elementos e em vários dispositivos de detecção e monitoramento dentro de uma aeronave.

Se o esforço de financiamento e inovação continuar na interface do uso de nanomaterial na área aeroespacial, não demorará muito para que os nanomateriais sejam usados ​​em larga escala, e o uso de nanomateriais em aeronaves é algo que poderíamos esperar ver cada vez mais em o futuro próximo.

Artigo escrito por Liam Critchley e publicado no blog da Mouser Electronics: The Potential for Nanotechnology in the Aerospace Industry

Traduzido por Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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