Los materiales que convierten un coche de Fórmula 1 en la máquina más rápida y segura

José Manuel Torralba, IMDEA MATERIALES

A 280 km/h, el piloto de un Fórmula 1 soporta aceleraciones que superan varias veces la fuerza de la gravedad en algunos momentos, equivalente a la aceleración que vive un astronauta cuando despega un cohete. A esa velocidad, un accidente es para no contarlo. Sin embargo, los accidentes en Formula 1 ocurren y los pilotos se salvan, como Robert Kubica en el GP de Canadá del año 2007.

Después de salirse de la pista, a 280 km/h, el monoplaza de Kubica quedó totalmente destrozado, excepto el cockpit, la cabina en la que viaja el piloto. Salió por su propio pie de un vehículo convertido en chatarra y agradeció al papa Juan Pablo II su salvación: “Ha sido Juan Pablo, él me ha salvado”. Kubica no se acordó de la tecnología, en el límite de lo posible, que convierte el cockpit de un Fórmula 1 en un escudo que ya hubieran querido los vikingos.

El cockpit como chaleco salvavidas

Kubica pudo salvar su vida gracias a los materiales compuestos, especialmente carbono-carbono: el principal material con el que se fabrican los chasis de los monoplazas. La escudería Mc Laren fue la pionera en su uso, a finales de los años 1990.

La fibra de carbono es un material muy ligero, pero de forma individual puede alcanzar resistencias mecánicas equivalentes a las de un buen acero. Embebida en una matriz, también de carbono, la fibra puede absorber mucha más energía que un acero antes de romperse.

Un material compuesto de fibra de carbono puede tener una resistencia a la tracción tres veces superior a la de un buen acero (3,5 GPa frente a 1,3 GPa) pero con la ventaja de ser 6 veces menos densa (1,75 g/cm³ frente a 7,9 g/cm³). Esto le da una resistencia específica de 2 GPa frente a 0.17 GPa del acero.

En un material compuesto, un entramado de fibras rellena una matriz. Con esta configuración, cuando se produce una grieta, su propagación se ve obstaculizada y el material es capaz de soportar mucha energía antes de romperse.

La fibra sintética más fuerte

Nuevas fibras de tipo aramida como el zylon (que también se usan, por ejemplo, en chalecos antibalas) sustituyen en ocasiones a la fibra de carbono. Estos nuevos materiales aportan más capacidad aun de almacenar energía.

Fernando Alonso salvó la vida de milagro en el Gran Premio de Australia tras sufrir un accidente a 310 km/h. Si el piloto asturiano puede vivir para contarlo es gracias al zylon, un material más resistente que el acero que evitó una tragedia en la curva 3 de Albert Park porque es capaz de absorber toda la energía en un golpe a pesar de que se descomponga con el impacto. El zylon se considera a día de hoy la fibra sintética más fuerte hecha en laboratorio.

Los frenos son un prodigio tecnológico

Cuando vemos una retransmisión de Formula 1, los comentaristas hacen mucho hincapié en la temperatura de los frenos: si no es la apropiada, la eficacia se ve disminuida. Este comportamiento lo gobiernan leyes vinculadas a la disciplina científica conocida como tribología.

Un material entra en contacto con un contra-material y a causa de la fricción se produce la frenada. Estamos frente a lo que se llama un sistema tribológico, en el que importan los materiales que están en contacto, la temperatura, la humedad y la superficie de contacto.

La diferencia en unos grados de temperatura puede determinar que una zapata del freno se desgaste en unos segundos o en muchos minutos. Y esa velocidad de degradación del freno, además, se puede modificar en función de las condiciones ambientales.

Los conocimientos que nos proporciona la ciencia de materiales son fundamentales para poder prever las mejores condiciones de supervivencia frente a las condiciones extremas de funcionamiento de un freno de Formula 1 (aceleraciones o decelaraciones de 5G), que también están hechos de compuestos carbono-carbono (al igual que los frenos de aviación), introducidos en los años 80 por el equipo Brabham). Se pueden ganar o perder carreras por culpa del desgate de los frenos.

Los neumáticos y la tribología

El sistema neumático-pista también es un sistema tribológico. El desgaste (vinculado directamente al agarre) de los neumáticos depende, una vez más, de los materiales de los que están fabricados, pero también, y mucho, de la temperatura y condiciones ambientales.

Una mala elección de neumáticos ha sido la razón de grandes desastres, con consecuencias nunca positivas, en carreras de Formula 1.

Aquí, de nuevo, gobiernan los materiales compuestos (o mejor aún, estructuras compuestas), donde sobre una base de caucho (distintos cauchos) se utilizan bandas de acero de refuerzo.

La dureza del caucho base es la que determina el comportamiento del neumático y como consecuencia la adherencia del vehículo a la pista. No tener en cuenta la dureza de la pista, la temperatura o la humedad en la elección del neumático puede producir un desgaste acelerado y una pérdida total de adherencia. Y, consecuentemente, la pérdida de puestos en una carrera.

Aluminio, titanio y acero para el motor

En un motor de Formula 1 encontramos metales de muchas familias: aluminio en el bloque motor, titanio en los pistones, acero en el cigüeñal. En un motor convencional de un automóvil nunca (salvo en algunos vehículos de alta gama) encontramos titanio, por su elevado coste y por el efecto pernicioso que puede tener. Puede provocar problemas de corrosión: el titanio, al ser un elemento muy “noble” hace de cátodo frente al acero o el aluminio, provocando la degradación de estos.

La corta vida de un motor de Formula 1 hace que primen las necesidades de fiabilidad y resistencia frente a posibles problemas de corrosión. Pero en la búsqueda de controlar el peso, podemos encontrarnos con aleaciones de magnesio (más ligero aun que el aluminio), o en la dirección totalmente contraria, wolframio para hacer de contrapeso y poder cumplir regulaciones de peso.

También podemos encontrar recubrimientos cerámicos para optimizar el rendimiento. La cerámica permite temperaturas de trabajo superiores y una mayor optimización del ciclo térmico.

Un motor de Formula 1 es un laboratorio de pruebas de materiales, donde unos van reemplazando a otros en función de su comportamiento a fatiga, temperatura de trabajo, fiabilidad. Laboratorio que permite exportar sus avances a los vehículos de serie.

Cuando un motor se rompe y hay que sustituir una pieza, por compleja que sea, hoy la tecnología de materiales permite poder reemplazarla en unas horas gracias a la fabricación aditiva (impresión 3D) de metales. Una vez más, el laboratorio de materiales exporta tecnología.

Si hoy en día pensamos en cuáles son las fuerzas motrices que mueven el diseño y desarrollo de prototipos de bólidos de Formula 1, podríamos decir que son la sostenibilidad y la seguridad. Fabricamos coches que pesando menos, también consuman menos, pero manteniendo o mejorando prestaciones y nunca olvidando la seguridad del piloto.

Ya hemos hablado de la seguridad que confieren los nuevos materiales a los chasis que evitan daños al piloto cuando choca a elevada velocidad. Pero no olvidemos los avances en el desarrollo de materiales ignífugos que permiten que el fuego no llegue a dañar la piel de un piloto durante muchos segundos en caso de incendio. Coches que funcionan al límite de la tecnología gracias a los materiales. Coches rápidos, sostenibles y seguros.

José Manuel Torralba, Catedrático de la Universidad Carlos III de Madrid, IMDEA MATERIALES

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.