En 2012, el CEO de Tesla y SpaceX, Elon Musk, propuso la Hyperloop, una nueva forma de transporte que podría ser autopropulsada de forma sostenible y dos veces más rápida que un avión. Aquí, Benjamin Stafford, especialista en ciencia de materiales en Matmatch, explica las consideraciones de diseño para los ingenieros que desarrollan la próxima generación de sistemas de transporte y los siguientes materiales:
- Fibra de carbon
- vibranio
- acero
- hormigón
La humanidad ha recorrido un largo camino desde los días de viajar a pie. El siglo XX, en particular, vio un número significativo de desarrollos y mejoras en el transporte terrestre y aéreo. Ahora, hablar de caminar de Londres a Edimburgo parecería ridículo con los diversos métodos de transporte disponibles.
Hoy en día, los fabricantes de automóviles y aviación están sometidos a una presión cada vez mayor para reducir las emisiones nocivas y cumplir los objetivos globales para abordar el cambio climático. Además de crear modos de transporte más rápidos y eficientes, como los que estamos viendo con los avances en la electrificación de automóviles y aviones, los gobiernos tienen otro problema que abordar.
Nuestras carreteras, aeropuertos y puertos están congestionados. Países como México, Tailandia e Indonesia se clasifican actualmente como ciudades con la mayor congestión relacionada con el tráfico, pero hay pocas ideas sobre cómo reducirla. Bien, ese fue el caso antes de la revelación de Musk de la Hyperloop.
¿Qué es Hyperloop?
Hyperloop es un ecosistema de transporte de velocidad ultrarrápida, compuesto por un sistema de tubos por los que las cápsulas pueden viajar sin resistencia ni fricción del aire.. El Hyperloop funciona replicando grandes altitudes en un entorno de baja presión dentro del sistema de tubos al eliminar la mayor parte del aire con bombas de vacío, lo que reduce drásticamente las fuerzas de arrastre.
Debido a la resistencia aerodinámica ultrabaja, las cápsulas pueden deslizarse a la velocidad de las líneas aéreas durante largas distancias, proporcionando un tránsito rápido a través de regiones densamente pobladas. En los EE. UU., Por ejemplo, un Hyperloop podría permitir viajar desde Nueva York a Washington DC en menos de 30 minutos. Se estima que las cápsulas de Hyperloop podrán viajar a unas 600 millas por hora, transportando hasta 16 pasajeros.
El miembro del equipo Hyperloop de la Universidad Tecnológica de Delft, Mark Geuze, describió el Hyperloop como «poder conectar ciudades, haciéndolo más eficiente que un avión, pero tan conveniente como un tren”. Mientras proyectos como Sistemas Virgin Hyperloop One y Tecnologías de transporte Hyperloop (HTT) están trabajando para hacer realidad el concepto de Musk, todavía hay algunos elementos de diseño que necesitan refinarse.
Para que Hyperloop sea dos o tres veces más rápido que los trenes de alta velocidad y los trenes de levitación magnética existentes, y de diez a quince veces más rápido que los ferrocarriles tradicionales, los ingenieros de diseño y mecánicos buscan inspiración en los materiales utilizados en la industria aeroespacial.
Esto se debe a que Hyperloop debe construirse con materiales robustos que sean livianos y capaces de soportar condiciones extremas, particularmente a bajas presiones, como las que se utilizan en los aviones.
Fibra de carbono en Hyperloop
Si bien la mayoría de los aviones modernos están hechos de aluminio, los materiales compuestos como Fibra de carbon son cada vez más populares.
Materiales compuestos incluyen algunos de los materiales de ingeniería más avanzados de la actualidad y Matmatch tiene más de 100 compuestos enumerados en su sitio. La suma de fibras de alta resistencia a un matriz de polímero Puede mejorar en gran medida las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción y la resistencia a la temperatura.
La competencia Hyperloop de este año tuvo lugar el 21 de julio en Los Ángeles, EE. UU. En esta competencia, estudiantes de todo el mundo compitieron por el mejor y más rápido sistema de cápsulas.
El equipo de estudiantes de la Universidad Técnica de Munich (TUM) presentó el nuevo prototipo de cápsula Hyperloop hecho de carbono y por tercera vez consecutiva ocupó el primer lugar. En 2018, la cápsula especial de Munich voló a través del tubo de ensayo de 1.200 metros a una velocidad de 467 km / h, dejando a la competencia en el polvo.
El equipo de estudiantes de la Universidad Técnica de Múnich presentó el nuevo Hyperloop Pod fabricado con carbono a mediados de junio de 2019. @SGL Carbon
Este año, una vez más, se trató de la velocidad máxima. “El pod tiene que ser especialmente ligero, pero al mismo tiempo extremadamente estable para soportar cargas de altas velocidades en el tubo”, explica Paloma García Guillén, líder del equipo de estructura en el equipo TUM.
Todas las propiedades que son características típicas de la fibra de carbono.. «Gracias al apoyo de SGL Carbon, pudimos probar diferentes variantes de materiales». Al final, el equipo optó por un material de fibra de carbono tejido preimpregnado, un llamado preimpregnado.
Basado en las optimizaciones de diseño y material, el componente de carbono de la vaina actual pesa alrededor de un 10% menos que el modelo anterior (5,6 kilogramos frente a 6,1 kilogramos).
Además, los soportes de la carcasa ahora están construidos completamente de carbono, en lugar de la solución plástica anterior, reduciendo el peso a la mitad de 1,5 kilogramos a solo 700 gramos.
Vibranium para cápsulas Hyperloop
En el desarrollo de sus cápsulas Hyperloop, HTT ha desarrollado un nuevo tipo de compuesto de fibra de carbono con sensores integrados que es ocho veces más fuerte que aluminio y diez veces más resistente que las alternativas de acero y transmite información crítica sobre temperatura, estabilidad, integridad y más, de forma inalámbrica e instantánea. También es mucho más liviano, aproximadamente cinco veces menos que el acero y 1,5 veces menos que el aluminio, lo que reduce la producción de energía para propulsar la cápsula. El material, llamado «vibranium» (inspirado en el metal ficticio de Marvel), ha sido diseñado para ser un material tipo piel para proteger las cápsulas Hyperloop.
Las vainas están construidas con dos capas de vibranium, uno para el exterior y otro para el interior de la cápsula, con una serie de sensores intercalados entre las dos capas de material compuesto. Estos sensores pueden monitorear la estabilidad, temperatura e integridad de la cápsula en tiempo real para maximizar la seguridad de los pasajeros.
Como si seleccionar los materiales para las cápsulas de Hyperloop no fuera lo suficientemente complejo, los diseñadores también tendrán que considerar los tubos cuando este nuevo modo de transporte se convierta en realidad. Afortunadamente, los diseñadores pueden comparar materiales para proyectos complejos como Hyperloop utilizando la base de datos en línea de Matmatch, lo que les permite tomar fácilmente una decisión informada para desarrollar un producto eficaz.
Acero y hormigón para la estructura y los tubos Hyperloop
Los tubos para Hyperloop deben ser fuertes, rígidos, duraderos y herméticos. Actualmente, el diseño preliminar de los tubos se realiza en acero, sin embargo, el diseño de tubo alternativo en hormigón es también considerado (Hormigón reforzado con fibra de acero de ultra alto rendimiento (UHPFRC).
El sistema Hyperloop de HTT Consta de grandes tubos fabricados en acero y hormigón. Estos tubos se construirán principalmente sobre pilones, con algunos segmentos a nivel del suelo y subterráneos según sea necesario.
El sistema elevado da como resultado un menor costo de adquisición de la tierra, lo que lo hace impermeable a las condiciones climáticas, Resistente a los terremotos, elimina la posibilidad de colisión con el tráfico rodado y brindará oportunidades ecológicas..
Informe de diseño de Hyperloop del MIT Hyperloop Team para SpaceX Hyperloop
Competición 2015-2017 menciona el uso de acero 1018 acero.
Sin embargo, recientemente materiales compuestos han demostrado ser una gran alternativa al metal convencional en varias industrias, más notable en aplicaciones aeroespaciales y emergiendo rápidamente en estructuras civiles.
Los materiales compuestos tienen varias ventajas estructurales en comparación con el acero. Por ejemplo, los materiales compuestos son relativamente ligeros en comparación con el acero. Esto significa que los tubos Hyperloop pueden ser más ligeros y seguir cumpliendo los requisitos estructurales.
Además, los tubos compuestos deberán volverse más gruesos que los tubos de acero. El aumento del espesor de la pared tiene el beneficio estructural de ser menos propenso a los mecanismos de pandeo. Por último, debido a la menor sensibilidad a los cambios de temperatura, los tubos compuestos también tendrán menos problemas de expansión térmica.
Aparte de las ventajas estructurales, los tubos compuestos también proporcionan métodos de producción interesantes. Por ejemplo, el proceso continuo de bobinado de filamentos ofrece un gran potencial para la producción de tubos Hyperloop.
Con este método, se pueden producir grandes secciones de tubo a la vez, dejando la estructura con menos elementos de conexión. Además, este proceso de bobinado ofrece la posibilidad de funcionar como una fábrica emergente. Esto permitiría producir los tubos compuestos en el sitio, lo que eliminaría el desafío logístico de trasladar tubos grandes a sus ubicaciones.
Por último, los tubos compuestos tienen varias ventajas financieras. Aunque el precio de los compuestos es más alto que el del acero, los compuestos tienen el potencial de reducir el costo de inversión.
Esto se debe principalmente a la menor cantidad de material que se requiere. Además, la oportunidad de producir los tubos compuestos en el sitio puede permitir la reducción de costos en el proceso logístico.
¿Que pasa ahora?
Si bien Hyperloop ciertamente ofrece un modo de transporte más rápido, seguro y eficiente, Pasarán algunos años antes de que podamos utilizar estos sistemas subterráneos como parte de nuestro viaje diario.. Mientras tanto, podemos esperar que los aviones modernos se vuelvan aún más avanzados, gracias a una mejor selección de materiales.
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