Nanotecnología para submarinos: sonares activos y supresión de ruidosbasados en nanotubos de carbon

Los nanotubos de carbono como el diamante, el grafito o los fullerenos son una de las formas que adopta el carbono en la naturaleza. Podría pensarse en los nanotubos como láminas de grafito enrolladas sobre sí mismas formando tubos de unos pocos nanometros (10-9 m) de diámetro y hasta unas décimas de milímetro de largo.

Los nanotubos de carbono como el diamante, el grafito o los fullerenos son una de las formas que adopta el carbono en la naturaleza.


Podría pensarse en los nanotubos como láminas de grafito enrolladas sobre sí mismas formando tubos de unos pocos nanometros (10-9 m) de diámetro y hasta unas décimas de milímetro de largo.

Por la naturaleza de los enlaces de carbono los nanotubos son las fibras más resistentes que pueden fabricarse hoy en día siendo 100 veces más fuerte que el acero pero seis veces más liviano. Más aún, las propiedades eléctricas  de este material son también sorprendentes. Según sea la estructura de los nanotubos estos pueden comportarse como semiconductores o hasta superconductores pudiendo transportar grandes cantidades de corriente eléctrica sin fundirse o destruirse (más de mil veces que un conductor de cobre).

Modelos computacionales de nanotubos de carbono (los átomos de carbono se ubican en los vértices de los hexágonos y pentágonos). Izquierda: nanotubos de pared múltiple, derecha: nanotubo de pared simple.

Otra propiedad interesante de los nanotubos es su bajísima capacidad térmica por unidad de área lo que permite que se calienten y enfríen muy rápidamente al pasar corriente alterna a través de ellos. Aprovechando esta propiedad, en 2008 investigadores chinos demostraron que una lámina de nanotubos a la que se le aplica corriente alterna puede producir sonido no por vibración sino por un fenómeno termoacústico[1].  Al pasar corriente alterna a través de la lámina de nanotubos la capa de aire adyacente se calienta y enfría rápidamente generando oscilaciones en la presión del aire y con ello ondas de sonido sin que halla movimiento alguno de la lámina de nanotubos. Este fenómeno fue descrito ya en el siglo XIX en láminas metálicas finas pero, debido a la alta capacidad térmica de los metales comparada con la de los nanotubos, los sonidos producidos eran muy débiles. Se estima que una lámina de nanotubos puede generar sonidos entre 20 y 30 decibeles más intensos que una lámina metálica equivalente. Este efecto permite construir altoparlantes flexibles, delgados y muy livianos.

La bandera es en realidad un parlante creado por Xiao y colaboradores que puede flamear al viento a la vez que emite sonidos (© 2010 American Chemical Society)

Ali Aliev[2] y colaboradores del NanoTech Institute de  la Universidad de Texas en Dallas dieron el siguiente paso al descubrir que las propiedades termoacústicas de una lámina de nanotubos no se perdían al sumergirla en agua. Esto resultó sorprendente ya que, en principio, se podría pensar que la gran capacidad calorífica del agua y su bajo coeficiente térmico de expansión absorberían cualquier fluctuación térmica de la lámina de nanotubos y con ello se anularía el efecto termoacústico. Sin embargo, Aliev y su grupo encontraron que debido a la hidrofobicidad (propiedad de repeler el agua) de los nanotubos una película de aire queda retenida alrededor de la lámina de nanotubos y es esta película de aire la que genera el sonido al expandirse y contraerse térmicamente.

Sistema experimental desarrollado por Aliev y colaboradores.  (© 2010 American Chemical Society)

El sistema presentado por Aliev y colaboradores está aún en una etapa de laboratorio pero claramente tiene un enorme potencial de desarrollo en sonares activos de alta potencia livianos y de gran superficie para la generación de señales de banda ancha continuas, pulsadas o moduladas entre otras aplicaciones subacuáticas.

En su investigación probaron diversas configuraciones y tipos de láminas de nanotubos (nanotubos de pared múltiple –MWNT- o simple pared –SWNT-) así como realizaron comparaciones la tecnología basada en sistemas piezoeléctricos, que es la utilizada hoy en día en la generación de señales de sonar.

Las láminas de nanotubos de pared múltiple presentaron el mismo tipo de comportamiento termoacústico en aire que las de nanotubos de pared simple pero estas últimas fueron muy ineficientes en la generación de sonido bajo el agua debido a que no mantienen una película de aire alrededor. Es de destacar que de ambos tipos de nanotubos los de pared múltiple son los más simples y económicos de fabricar.

El espectro del sonido generado por las láminas de nanotubos es continuo y suave entre 10 Hz y 50 kHz ya que no presenta resonancias, a diferencia de un generador de sonido piezoeléctrico de ancho espectro. El generador piezoeléctrico proyecta una señal hasta mil veces más intensa a altas frecuencias (~50 a 100 kHz) pero el sistema basado en nanotubos trabaja en forma mucho más eficiente a bajas frecuencias. Esto indica que las láminas de nanotubos de pared múltiple son convenientes para aplicaciones de sonar a frecuencias por debajo de 4-5 kHz, en particular en el rango de 1 kHz donde este tipo de aplicación tiene gran demanda. En este rango de frecuencias los sistemas piezoeléctricos requieren proyectores gruesos y pesados mientras que las láminas de nanotubos son muy livianas y delgadas (3 microgramos por centímetro cuadrado y ~ 20 micrones de espesor).

Espectro de sonido bajo el agua para un lámina de nanotubos de pared múltiple sumergida en agua destilada (azul) y en etanol (verde) comparado con el espectro de un transductor piezoeléctrico (rojo). (© 2010 American Chemical Society)

Una de las configuraciones ensayadas fue un sistema de láminas de nanotubos colocadas en paralelo lo que permite aumentar la eficiencia en la generación de sonido. Además este arreglo en paralelo permitiría, seleccionando adecuadamente el espaciado entre las láminas, crear cualquier tipo de apertura de haz al funcionar como lentes acústicas.

Dado que el agua de mar es conductora el contacto con la misma puede generar un cortocircuito y reacciones electroquímicas indeseadas sobre las láminas de nanotubos al aplicar el voltaje requerido para su operación. Por ello los investigadores probaron diversos materiales de encapsulamiento que permiten aislar los nanotubos del agua salada al tiempo que son transparentes a las ondas de sonido. Dentro de la cápsula se coloca un gas de relleno. Los gases nobles como el argón proporcionan mayor estabilidad (varios meses) que el aire. Durante las pruebas Aliev y su grupo encontraron que, debido a las propiedades de resonancia en espacios confinados, la eficiencia de la generación de sonido de baja frecuencia bajo el agua se incrementa en diez veces con respecto a los sistemas no encapsulados. De hecho la eficiencia de conversión de energía en sonido es realmente grande (0,2 % en aire). Esto puede mejorarse aún más achicando el volumen interno del sistema encapsulado y aumentando la temperatura de modulación.

Los resultados obtenidos con el sistema encapsulado indican que si la apertura acústica de estos proyectores se aumenta a las dimensiones apropiadas, estos pueden cumplir con varios de los objetivos de la U.S. Navy para aplicaciones de baja frecuencia que requieren empaquetamientos delgados y de bajo peso.

La capacidad de proyección de potencia acústica en el aire por unidad de peso es notable: 0,66 kW/g. Debido a esto los autores del trabajo especulan que proyectores de sonido delgados basados en nanotubos encapsulados podrían utilizarse como “pieles” acústicas para controlar la capa límite y con ello reducir la fricción y la turbulencia en vehículos aéreos o marítimos.

Siguiendo con la especulación, esta tecnología permitiría además construir sistemas eficientes, ligeros y flexibles (adaptables a formas diversas) de cancelación activa de ruidos lo que redundaría en una mayor furtividad de las unidades submarinas. Los proyectores de sonido basados en nanotubos son justamente más eficientes en el rango de frecuencias donde se generan los ruidos más característicos de los submarinos.

Nivel de ruido generado por un submarino diesel (IKL) en función de la frecuencia [3].

En un hipotético caso de un submarino dotado con proyectores acústicos basados en nanotubos los sonidos generados serían captados por el mismo submarino y los proyectores acústicos emitirían los mismos ruidos pero invertidos 180° fuera de fase, anulándolos por interferencia destructiva. Sistemas similares, basados en proyectores de sonido más convencionales, se utilizan hoy en día en los SSN modernos para cancelar el ruido de turbinas, bombas y cajas de reducción, entre otra maquinaria ruidosa.

Dados su peso, espesor y flexibilidad, los sonares basados en nanotubos de carbono serían ideales para UUV (Unmanned Underwater Vehicles, o vehículos submarinos no tripulados), vehículos de transporte e inserción de buzos, señuelos antitorpedos (ya sean hard o soft-kill), etc.

En resumen se trata aún de tecnología en desarrollo a escala de laboratorio pero muy promisoria. Sólo el tiempo dirá si estos sistemas evolucionan en  aplicaciones submarinas prácticas.


Referencias

1.    Lin Xiao et al. “Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers”, Nano Lett., 2008, 8 (12), pp 4539–4545
2.    Ali E. Aliev, Marcio D. Lima, Shaoli Fang, Ray H. Baughman. “Underwater Sound Generation Using Carbon Nanotube Projectors”. Nano Letters, 2010; : 100527140356003 DOI: 10.1021/nl100235n
3.    E.V. Miasnikov, “The Future of Russia's Strategic Nuclear Forces Discussions and Arguments”, Center For Arms Control, Energy And Environmental Studies, Moscow Institute of Physics and Technology, 1995 (http://www.fas.org/spp/eprint/snf0322.htm)