La estructura ósea de los pájaros puede ser la clave para los aviones del futuro

Ilustración del esqueleto del Archaeornis, comparado con el esqueleto de una paloma común. / Gerhard Heilmann

Las alas de los aviones convencionales están soportadas por barras y vigas. Ingenieros han usado una técnica computacional que imita la selección natural para diseñar la estructura interna de un avión desde cero. El plano resultante no solamente es más ligero que las alas, sino que también resembles formaciones naturales, como los huesos de las aves, que no tienen los aviones de ahora.

Mathew Santer, un ingeniero aeroespacial de la Universidad Imperial de Londres, dijo a la revista Science: “Es un ejemplo de cómo emplear los métodos computacionales para diseñar a una altísima resolución”. El diseño de apariencia “orgánica” es tan firme como un aeroplano convencional pero más liviano. El diseño pesa de 200 a 500 kilogramos por ala, mientras un avión estándar como un Boeing 747, tiene alas de 43.000 kilos. Este diseño podría ahorrar entre 40 y 200 toneladas de combustible por año, por aeronave.

Ingenieros aeronáuticos han usado estas técnicas computacionales de optimización de diseño por cerca de 20 años, pero solo para pequeñas partes como los componentes individuales de las alas, o las estructuras simples. Para esta ocasión, los ingenieros Niels Aage, Erik Andreassen, Boyan S. Lazarov y Ole Sigmund usaron la supercomputadora de Curie en Bruyéres-le-Chatel, cerca de París, para aumentar la resolución de su diseño, permitiéndoles modelar el ala de un Boeing 777, que puede medir 27 metros.

El equipo empezó con la base de un diseño de ala ya optimizado para un máximo elevación y mínima fricción conocida como aerofoil, una estructura con superficies curvas diseñadas para dar la proporción más favorable de elevación a fricción en vuelo, utilizada como la forma básica de las alas, aletas y planos traseros de la mayoría de los aviones.

La computadora dividió el diseño en 1.1 billón de pixeles 3D o “voxels”. Cada uno es del tamaño de un Lego pequeño, pero con una resolución 200 veces más grande. El algoritmo empezó a simular la fuerza ejercida en cada bloque y a distribuir el material en respuesta a donde el ala experimenta carga o peso. Sin ningún tipo de guía humana, el programa replicó el análisis cientos de veces, añadiendo o removiendo material hasta alcanzar un diseño final óptimo.

“La estructura evoluciona en cada ciclo de diseño, muy similar a como lo hace la naturaleza”, dijo Niels Aage, ingeniero de la Universidad Técnica de Dinamarca, en Copenhagen, a la revista Science.

La estructura no contiene las usuales vigas que corren a lo largo de las alas. En vez, el diseño incluye unos soportes curvos fuera del tren de las alas, que asemejan los huesos de las aves, sostenidos por unos intricados soportes en el borde que simulan un pico.

La técnica también puede ser aplicada para optimizar acústicas, sistemas de ventilación, antenas y otras industrias, según los investigadores. El problema es que el diseño es muy intricado como para que se haga con métodos manufactureros requeriría una impresora 3D gigantesca para construirla. Por ahora, los aspectos de este diseño pueden alimentar las estructuras nuevas, usando métodos convencionales.