Qué es y cómo se usa la fibra de carbono en la Fórmula 1

Todos los que seguimos la Fórmula 1 hemos oido hablar alguna vez de la fibra de carbono. Lo que no sabe mucha gente es que la fibra de carbono es de los materiales más usados a lo largo de la historia. Si les nombro el algodón y el lino seguro que saben que son. Si les digo que esta es la apariencia natural de la fibra de carbono, ¿lo sabían?. Más tarde, en 1878, Edison transformó fibras de algodón en carbono en un uso más tecnológico de esta fibra. Y hasta la década de los 50 del siglo pasado no se volvió a interesar la industria en las propiedades de la fibra de carbono. La fibra de carbono es un material compuesto de matríz orgánica (composite). Todos los materiales compuestos tienen una matríz, y un refuerzo. La matríz de la fibra de carbono puede ser rayón, brea o PAN (poliacrilonitrilo), aunque debido al bajo módulo elástico de las dos primeras, en la competición se usa el tercer componente. El poliacrilonitrilo es un polímero muy usado en la fabricación de carpas y en fibras sintéticas para uso textil. Este se refuerza con polímeros termoestables, que son aquellos que sus propiedades no varian aunque la temperatura aumente (hasta el límite de degradación o fusión), que normalmente suele ser resina epoxi. Esta unión otorga a la fibra de carbono una alta resistencia a la tracción y al impacto, a la vez que le da una gran ligereza, merced a su baja densidad de sólo 1´75 g/cm³. Para que les sirva de comparación os digo que el acero tiene una densidad de 7,85 g/cm³ y el aluminio de 2,7 g/cm³. La resistencia a la tracción viene a ser unas 3 veces mayor que la del aluminio (esto es resistencia a ser estirado) y mayor también que la de muchos aceros. Pero sobre todo es su gran resiliencia (capacidad de absorción de impactos) y su gran resistencia a la fatiga (resistencia a romperse por esfuerzos repetitivos) lo que lo convierte en un material extraordinario para usos estructurales tanto en el campo de la aviación como en automoción. Para la fabricación de este material se necesitan técnicas avanzadas. Para empezar debemos usar hornos autoclave, que son aquellos en los que a la temperatura sumamos una presión elevada para conseguir compuestos que a presión atmosférica no sería posible obtener. Por otro lado la cocción de los materiales se realiza a temperaturas que superan los 2000º C muchas veces, además de realizarse en atmósfera rica en nitrógeno, para limpiar de impurezas que debilitarían el material. El material obtenido contiene fibras del tamaño de 8-10 micras de diámetro, muy resistentes a la tracción pero con una limitación, al ser fibras alineadas en cierta dirección, en la dirección transversal a las mismas no trabajan bien y es la resina epoxi la única encargada de soportar el esfuerzo. Al ser telas del tamaño de hasta 0,3 mm de espesor, pueden superponerse en distintas direcciones para obtener más resistencia en cualquier diección. link: https://www.youtube.com/watch?v=eyY4S2WB6qQ El primer chasis con fibra de carbono como componente principal se fabricó en el año 1981 gracias a las ideas del ingeniero John Barnard, que entonces militaba en Mclaren, y a la colaboración de una empresa aeronáutica llama Hércules Aerospace. A este ingeniero se le ocurrió que las propiedades de la fibra de carbono con precursor (matríz) de PAN podía usarse para hacer chasis monocasco más resistentes y ligeros que los de aluminio, que eran norma por aquella época. Entonces el resto de equipos eran reticentes al uso de aquel material caro y difícil de fabricas, que denominaron plástico negro. Era grande el escepticismo y pensaban que se desintegraría en el primer impacto serio que tuviera, pero la FISA (la FIA entonces no controlaba los reglamentos deportivos) dió el visto bueno y el monoplaza participó. Y en el GP de Monza de aquel mismo año, John Watson sufrió un tremendo accidente ya que perdió el control del vehículo, impactando contra las barreras y sufriendo además una expllosión consecuencia del combustible derramado. Para sorpresa de todos, el coche resistió y Watson salió ileso. A partir de entonces, el resto de equipos fueron incorporando poco a poco este material desconocido hasta entonces en el mundillo de la Formula 1, aunque ya se generalizaba su uso en aplicaciones aeronáuticas. Actualmente el conocimiento en materiales ha avanzado extraordinariamente, y la fibra de carbono ha pasado a ser un material de refuerzo en la construcción de chasis. Entonces, ¿cómo se fabrican los chasis actuales? Para empezar les diré que los chasis de Formula 1, en realidad, se reducen a la célula de seguridad del piloto, esto es la zona del cockpit hasta la suspensión delantera, los pontones laterales (la parte frontal), parte trasera que incluye el hueco para el depósito conformable de combustible y soporte de la entrada de aire al motor. Para construir esta parte tan esencial del monoplaza, y de la que depende la vida del piloto, se utiliza un composite de matríz metálica de aluminio con fibra de carbono como refuerzo. La matríz metálica tiene forma de panal de nido de abeja, lo que otorga una alta resistencia al impacto, también llamada resiliencia que hace que la fibra de carbono absorva gran cantidad de energía. Además del aluminio, también se agrega zylon, que es un material polimérico muy caro y que se usa en aplicaciones muy específicas donde se requiere alto grado de resiliencia. Para el diseño de un chasis y las piezas adyacentes al mismo, debido a la complejidad de colocar las fibras en la posición adecuada, se utilizan programas de diseño por ordenador, que gracias al cálculo de resistencias más rápidamente permiten diseñar en menos tiempo la construcción del mismo. Decirles que la fibra de carbono que se utiliza para el cockpit no es la misma que la de los alerones, o la tapa del motor. También la de la salida de los escapes es distinta, más resistente a los incendios. Para la construcción del mismo se utilizan moldes hembra y en su interior colocamos las capas de materiales y se pegan con resina epoxi antes de introducirlas en el horno autoclave. Por supuesto, estos moldes hembra hacen medio chasis cada uno, que luego cuando estén realizados se ensamblarán y se les colocarán el resto de elementos mecánicos, hidráulicos y eléctricos. En la década de los 80 se usaron moldes macho, que obligaban a hacer esas formas tan particulares en aquellos coches. Sabed que el espesor de un chasis actual está en torno a los 5 mm, si antes os dije que una tela de fibra de carbono viene a medir unos 0,3 mm de espesor, calculad cuantas capas necesitamos de esta fibra, además del panal de nido de abeja en aluminio que tiene un espesor más considerable de alrededor de 1 mm. Esta forma de fabricación del chasis, utilizando presiones de hasta 120 Kg/cm², hace al mismo muy resistente a los impactos. Deciros que la absorción de impactos por parte de la fibra de carbono se hace mediante la destrucción de fibras, que es lo que observamos cuando ocurre un accidente en las carreras de Formula 1. El coche queda destrozado, pero el piloto sale andando, y esto se debe a la gran resiliencia antes comentada. En la célula de seguridad, el uso de zylon, el panal de abeja antes comentado y el uso de más capas de fibra de carbono hacen que sea casi indestructible. Por último les comento, a modo de curiosidad, que la fibra de carbono es un buen conductor de la electricidad (no tan bueno como el cobre o el oro) y que debido a esto los mecánicos deben de protegerse de las descargas del KERS, para no electrocutarse.