Engenheiros da NASA e do MIT Desenvolvem Asa de Polímero Metamórfica para Aeronaves Mais Leves e Eficientes

Uma equipe de engenheiros do Centro de Pesquisa Ames da NASA (Mountain View, Califórnia, EUA) e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, Cambridge, Massachusetts, EUA) construiu e testou uma asa de avião montada a partir de uma rede (lattice) composta por centenas de pequenas peças idênticas de polímero. A asa, segundo relatos, pode mudar de forma para controlar o voo da aeronave.

Design Testado em Túnel de Vento

O design da asa foi testado em um túnel de vento da NASA e descrito em um artigo no periódico Smart Materials and Structures, coescrito pelo engenheiro de pesquisa Nicholas Cramer, da NASA Ames; pelo engenheiro da NASA Ames e ex-aluno do MIT Kenneth Cheung; pelo estudante de graduação do MIT Benjamin Jenett e outros oito pesquisadores.

Diferentemente das asas convencionais, que requerem superfícies móveis separadas, como ailerons, para controlar o rolamento e o arfagem do avião, o novo sistema de montagem permite deformar toda a asa, ou partes dela, incorporando uma mistura de componentes rígidos e flexíveis em sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, parafusados juntos para formar uma estrutura de rede aberta e leve, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante ao da estrutura.

Estrutura Metamaterial Leve e Eficiente

O resultado é uma asa mais leve e, portanto, mais eficiente energeticamente do que aquelas com designs convencionais, sejam de metal ou compósitos, afirmam os pesquisadores. Como a estrutura, composta por milhares de minúsculos triângulos de montantes semelhantes a palitos de fósforo, é constituída principalmente de espaço vazio, ela forma um "metamaterial" mecânico que combina a rigidez estrutural de um polímero semelhante a borracha com a extrema leveza e baixa densidade de um aerogel.

Jenett explica que existe um conjunto diferente de parâmetros ideais de asa para cada fase de voo, para fornecer uma melhor aproximação da melhor configuração para cada estágio. O sistema é projetado para responder automaticamente a mudanças em suas condições de carga aerodinâmica, alterando sua forma de maneiras específicas.

Demonstrador em Escala Real e Produção Automatizada

Um demonstrador de asa com um metro de comprimento foi criado por Cheung e outros membros da equipe alguns anos atrás. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longa, é comparável em tamanho à asa de um avião monomotor real e é projetada para ser facilmente montada por robôs autônomos. O design e teste do sistema de montagem robótica é tema de um artigo futuro, diz Jenett.

As peças individuais da asa anterior eram cortadas com jato d'água, levando vários minutos para fabricar cada peça. O novo sistema usa moldagem por injeção com resina de polietileno em um molde 3D complexo, produzindo cada peça — essencialmente um cubo oco feito de montantes do tamanho de palitos de fósforo em cada aresta — em apenas 17 segundos, o que a aproxima muito de níveis de produção escaláveis.

"Agora temos um método de fabricação", diz ele. Embora haja um investimento inicial em ferramentas, uma vez feito isso, "as peças são baratas". "Temos caixas e caixas delas, todas iguais."

A rede resultante, diz ele, tem uma densidade de 5,6 quilogramas por metro cúbico. Para comparação, a borracha tem densidade de cerca de 1.500 kg/m³. "Elas têm a mesma rigidez, mas a nossa tem menos de aproximadamente um milésimo da densidade", afirma Jenett.

Flexibilidade de Design e Aplicações Futuras

Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de minúsculas subunidades, o design geral da estrutura da asa pode ser alterado de sua forma tradicional. Estudos mostram que uma estrutura integrada de corpo e asa poderia ser muito mais eficiente para muitas aplicações, e com este sistema essas poderiam ser facilmente construídas, testadas, modificadas e retestadas.

O mesmo sistema poderia ser usado para fabricar outras estruturas, diz Jenett, incluindo pás de turbinas eólicas semelhantes a asas, onde a capacidade de montagem no local evitaria os problemas de transporte de pás cada vez mais longas. Montagens semelhantes estão sendo desenvolvidas para construir estruturas espaciais e poderiam eventualmente ser usadas para pontes e outras estruturas de alto desempenho.

A equipe incluiu pesquisadores da Universidade Cornell, Universidade da Califórnia em Berkeley, Universidade da Califórnia em Santa Cruz, Centro de Pesquisa Langley da NASA, Universidade de Tecnologia de Kaunas na Lituânia e Qualified Technical Services Inc., em Moffett Field, Califórnia. O trabalho foi apoiado pelo Programa de Soluções Aeronáuticas Convergentes da NASA ARMD (Projeto MADCAT) e pelo Centro de Bits e Átomos do MIT.