Haciendo invisible a un submarino con puras matemáticas

Una ecuación para hacer invisible un submarino
Un grupo de investigadores en materiales ha dado con una solución para los que serán los submarinos (casi) indetectables del futuro. Todo hace indicar que capas de un material de sólo 4 milímetros con burbujas   podrían atenuar el sonido incidente más de 10.000 veces.

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Es conocido que el corcho es un material que permite aislar acústicamente una sala. Ello se debe  a su estructura, con cavidades llenas de aire repartidas más o menos homogéneamente, que impide que las ondas sonoras salgan rebotadas. Su baja densidad y la posibilidad de fabricar versiones artificiales del mismo a las que se pueden dar las formas que se quiera podrían inducirnos a pensar que podría emplearse para recubrir objetos que no queramos que reflejen el sonido. Sería un equivalente sonoro a los recubrimientos anti-radar que llevan los aviones militares invisibles al radar.

Sin embargo, el único vehículo en el que sería útil no dejar un eco sonoro sería un submarino para no ser detectado por un sónar. Y entonces un corcho artificial ya no parece tan buena idea porque para ser efectivo tendría que tener un grosor tal que haría más complicado que el submarino se sumergiese rápidamente. O puede que sí. Ahora un grupo de investigadores en materiales ha dado con una solución para los que serán los submarinos (casi) indetectables del futuro.

La idea es crear un material que tenga huecos de aire espaciados regularmente.

Para evitar la detección por el sónar los submarinos emplean a menudo un recubrimiento que absorbe el sonido, muchas veces baldosas de caucho perforado llamadas placas anecoicas. Las que se emplean hoy día tienen varios centímetros de grosor para ser efectivas. Pero Valentin Leroy, de la Universidad Paris-Diderot (Francia), y sus colegas creen que con unos pocos milímetros de un material que contenga huecos de aire espaciados regularmente se puede llegar absorber el 99% de la energía que se reciba en forma de ondas acústicas.

Como evolución del corcho original, es conocido desde hace tiempo que una capa elástica con huecos cilíndricos llenos de aire constituye un absorbedor de sonido excelente, pero la adaptación y optimización de estos materiales a una aplicación o a una frecuencia concreta, implica una cantidad inasumiblemente grande de tiempo empleado en simulaciones numéricas. Lo que ha conseguido el grupo de Leroy es precisamente elaborar un modelo que simplifica sobremanera los cálculos.

Hubo una buena correspondencia entre las predicciones de la ecuación y la respuesta subacuática.

El punto de partida del modelo es la sencillez. Asume que los huecos son burbujas esféricas, cada una con una respuesta elástica a una onda de presión y una frecuencia de resonancia que depende de su tamaño y de la elasticidad del material que la rodea. Esta sencillez de planteamiento ha permitido a los investigadores derivar una ecuación analítica que relaciona la atenuación del sonido a una frecuencia dada con las propiedades del material, el tamaño de los huecos y su espaciado.

En los experimentos los investigadores encontraron una buena correspondencia entre las predicciones de la ecuación y la respuesta subacuática de un recubrimiento de polímero perforado de 230 micras de espesor depositado sobre una barra de acero a ondas en el rango de los megahercios. Si bien no han podido realizar pruebas aún con los sónares militares, todo hace indicar que capas de sólo 4 milímetros con burbujas de 2 podrían atenuar el sonido incidente más de 10.000 veces; 100 veces más de lo que hasta ahora se creía posible. Una tecnología para poner el arma submarina del futuro a la par con la de los destructores Zumwalt ya operativos.

Referencia: Leroy V., Anatoliy Strybulevych, Maxime Lanoy, Fabrice Lemoult, Arnaud Tourin & John H. Page (2015). Superabsorption of acoustic waves with bubble metascreens, Physical Review B, 91 (2) DOI: 10.1103/physrevb.91.020301