Ingenieros de la Universidad de Pittsburgh lograron producir un hormigón con nuevas propiedades mecánicas, capaz de generar la suficiente cantidad de energía eléctrica para alimentar sensores o apoyar los sistemas de navegación de automóviles de conducción autónoma. ¿Será éste el material que construirá las denominadas “ciudades inteligentes”?
Aunque parece un mantra, hasta la fecha el hormigón es el material que más se utiliza en la industria de la construcción y el segundo en el consumo humano, sólo después del agua. Estas cifras lo colocan en una posición única en relación a su importancia para el desarrollo, especialmente cuando todo apunta a que se necesitará de más y mejor infraestructura urbana, especialmente resiliente a los efectos de la crisis climática.
Si bien los beneficios que posee el hormigón son conocidos, también son sus externalidades, como el uso intensivo de materias primas como los áridos, por ejemplo. ¿Qué pasaría si se pudiese “modificar” al hormigón para que utilice menos áridos, o cemento, o agua? Pues bien, ingenieros de la Universidad de Pittsburgh reimaginaron su diseño, de cara a las necesidades del siglo XXI.
“La sociedad moderna lleva utilizando hormigón para sus construcciones durante cientos de años, siguiendo más o menos la receta original, que data del tiempo del Imperio Romano”, dijo Amir Alavi, profesor asistente e ingeniero civil de esa casa de estudios.
“El uso intensivo del hormigón en nuestros proyectos de infraestructura implica la necesidad de desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón que sean más sustentables tanto económica como medioambientalmente. Al mismo tiempo, que ofrezcan funcionalidades avanzadas. Creemos que el camino para alcanzar esos desafíos es la introducción del paradigma de los metamateriales en el desarrollo de materiales tradicionales para la construcción, como es este caso”, agregó el académico.
Metamateriales: Un nuevo concepto para mejorar al hormigón
Si bien no existe una única definición, en síntesis, los metamateriales son elementos diseñados con estructuras nuevas o artificiales, las que generan características electromagnéticas que son inusuales o complejas de reproducir en condiciones naturales. Al incorporar los metamateriales a materiales más tradicionales -como por ejemplo, el hormigón- en su diseño, es posible incorporar características que estos no poseen de manera natural o mejorar aquellas que sí tienen. En definitiva, diseñar elementos acordes a las necesidades de un proyecto dado.
En el caso de esta investigación, cuyo título es “Sistemas multifuncionales de hormigón con metamateriales integrados en nanogenerador para infraestructura civil inteligente”, la idea es que, con el uso de metamateriales, el diseño del hormigón sea específico para el propósito u obra en la que se utilizará. De esta manera, se le pueden mejorar atributos como la fragilidad, flexibilidad y forma sin sacrificar resistencia o durabilidad.
“Este proyecto -comentó el profesor Alavi- presenta el primer hormigón compuesto por metamaterial con súper compresibilidad y la capacidad de almacenar energía. Estos sistemas de hormigón liviano y mecánicamente ajustables pueden abrir una puerta para el uso del material en varias aplicaciones, tales como materiales diseñados especialmente para aeropuertos que absorban impactos para ayudar a reducir la velocidad de los aviones o sistemas de aislación sísmica basal”.
Además de estas características, este “nuevo” hormigón es capaz de generar electricidad. Si bien el estudio aclara que el material no produce energía eléctrica suficiente para enviar a la red, la señal que genera sería más que suficiente para alimentar a sensores al borde de la carretera. Estas señales eléctricas auto-generadas por el hormigón también podrían utilizarse para monitorear el daño dentro de una estructura o, en otros casos, monitorear terremotos mientras reduce el impacto de estos en los edificios.
Con qué elementos se forma el hormigón del mañana
Este nuevo diseño de hormigón se compone de enrejados de polímero auxético reforzado, los que se encuentran embebidos dentro de una matriz cementicia conductiva. Al momento de recibir un estímulo mecánico, la estructura compuesta induce a la electrificación por contacto. El cemento conductivo, el cual se mejoró con polvo de grafito, sirve como electrodo en el sistema.
Los primeros estudios en laboratorio mostraron que este nuevo material puede comprimirse hasta un 15% bajo carga cíclica y producir unos 330 μW de potencia.
Además de las aplicaciones mecánicas, los ingenieros a cargo del estudio comentaron que con este nuevo hormigón, podría construirse infraestructura específica para las denominadas “ciudades inteligentes”, las que podrían recargar chips que estén incrustados en los caminos para, por ejemplo, ayudar a los automóviles de conducción autónoma a navegar por las carreteras cuando sus señales de GPS sean muy débiles o su LIDAR no funcione.
El equipo de investigadores se compone, además de académicos de la Universidad de Pittsburgh, con profesionales de la Universidad John Hopkins y se asoció al Departamento de Transporte de Pennsylvania para desarrollar este hormigón con metamateriales para su uso en las carreteras de ese estado. El proyecto aún se encuentra en fase experimental, a la espera de realizar las primeras muestras en terreno.
