Tuneladores, eixos cucs que perforen la Terra per a unir mons

Sota les ciutats, invisibles per als qui caminen sobre elles, avancen criatures colossals. Són les tuneladores, màquines gegants que perforen la Terra amb una mescla de paciència i poder. No corren: s'arrosseguen lentament, espentades per motors hidràulics i coronades per una roda de dents metàl·liques que gira sense descans contra la roca verge.

La seua missió és unir mons que abans estaven separats: els barris dividits per rius o muntanyes, les ribes d'una badia, els extrems d'una cuideu congestionada… Allí on la superfície no oferix espai, les tuneladores construïxen el subsol del futur: metres, conduccions, autopistes subterrànies que connecten el que semblava inconnex.

Una carrera d'obstacles

Però el seu viatge no és senzill. Cada peça lliura una batalla microscòpica contra l'impossible: tallar sense clivellar-se, resistir al calfament per fricció, aguantar més que la pròpia pedra.

Les roques (granit, quarsita, basalts) no es rendixen fàcilment: la fricció entre la dent excavadora i la roca genera temperatures de diversos centenars de graus. És un infern contingut sota el sòl. I, com sempre que dos cossos es freguen amb violència, la calor apareix.

A escala microscòpica, ni la ferramenta ni la roca són llises: són paisatges de muntanyes i valls que xoquen, es mosseguen i es deformen. Cada contacte allibera energia en forma de calor. Cal dissipar-ho amb rapidesa, perquè si no el tall es recalfa, s'ablanix, perd resistència. El nostre heroi es descompon.

El material perfecte hauria de ser dur per a no desgastar-se, tenaç per a no fer-se fallida i bon conductor tèrmic per a mantindre el cap fred. Però aconseguir estes tres virtuts alhora és extremadament difícil: cada millora en una propietat sol deteriorar una altra. Maximitzar duresa, tenacitat, baixa fricció, conductivitat i baixa oxidació simultàniament, sobretot a alta temperatura, és un autèntic oxímoron. La ciència, com la vida, és contradictòria en una impotència tràgica: la suma de propietats ha de mantindre el sistema en equilibri.

Fricció, calor i microclivelles: el triangle de la ruïna

Quan una tuneladora avança, els seus discos de tall no sols mosseguen roca: suporten pressions titàniques i vibracions que provocarien jaquecas a qualsevol enginyer. En cada volta del capçal, els contactes entre materials generen xicotetes fractures, microclivelles que creixen amb l'ús, com a arrugues amb l'edat, en la superfície metàl·lica dels discos d'atac.

Eixes clivelles, si no es controlen, es propaguen subtilment al llarg del material i destruïxen la ferramenta. La calor agreuja el problema: la dilatació tèrmica obri fissures, la fricció accelera el desgast i el cicle es retroalimenta. Més fricció, més calor; més calor, més desgast.

Este fenomen no és exclusiu de les tuneladores. És present en totes les activitats on es talla o es perfora: des del mecanitzat d'un ganivet fins al fresat d'una pròtesi dental. O, simplement, al mastegar. Cada vegada que dos materials s'enfronten, es lliura una batalla entre energia i matèria. I cada derrota es traduïx en deterioració, energia i temps malgastats, i tones de CO₂ llançades a l'atmosfera.

Tallar consumix… i molt

El cort de materials duros és un dels processos industrials més voraços en energia. Si la ferramenta no és eficient, el sistema necessita més potència per a mantindre el rendiment. En termes ambientals, això significa més combustibles, més materials, més electricitat, més emissions.

A això se sumen els residus dels fluids refrigerants, eixes mescles d'aigua, olis i additius que refreden i lubrifiquen durant el mecanitzat. Reduïxen la fricció i refrigeren el sistema, sí, però generen deixalles difícils de reciclar i nocius per a la salut. Per això la indústria busca processos més nets –en sec o amb mínima lubricació–, que exigixen materials capaços de resistir la calor sense perdre el componiment.

Però com aconseguir materials que suporten temperatures extremes, dissipen la calor i mantinguen la duresa necessària per a perforar la Terra sense devorar-la?

A la recerca del material perfecte

Eixa pregunta va inspirar la investigació d'una tesi doctoral de la Universitat Politècnica de Madrid que ha explorat el cor mateix del desgast. En ella, tres candidats es van enfrontar en dol a 800 °C:

• WC-12Co, el veterà carbur de wolframi amb cobalt: adobat, dur i resistent a l'oxidació a altes temperatures. El problema és que el cobalt és escàs i contaminant.

• WC-FeNi, un carbur de wolframi rejovenit amb ferro i níquel, ecològic, de baixa fricció, alta tenacitat i gran conductivitat tèrmica.

• Tu(C,N)-FeNi, el mestre zen de la temprança, compost de cinc elements: titani, carboni, nitrogen, ferro i níquel. És l'únic que roman estable i sense degradació estructural.

L'experiment va ser tan literal com implacable: una bola d'alúmina fregant-se contra els tres materials –al costat d'assajos de resistència mecànica, tenacitat de fractura i conductivitat tèrmica– en condicions extremes. Fins a temperatures moderades, el WC-FeNi va destacar per la seua elegància i eficiència: menys fricció, menys calor, menor consum energètic. Però en superar els 400 °C, el veterà WC-12Co va mostrar la seua astúcia intacta: ningú resistix l'oxidació com ell. Mentrestant, el seré Tu(C,N)-FeNi, sense parenceries, es va mantindre inalterable fins i tot més enllà dels 600 °C.

La conclusió no és definitiva: no hi ha un únic heroi. Cada material té el seu paper segons el context tèrmic. La resposta no residix a trobar “el millor”, sinó saber triar “l'adequat”: el que mantinga l'equilibri entre duresa, tenacitat, fricció i conductivitat tèrmica. Eixa tétrada és la brúixola cap a ferramentes més duradores, processos més eficients i menys contaminants.

Els cucs del progrés

Sota els nostres peus, els cucs mecànics continuaran perforant la Terra, cosint ciutats, països i continents mitjançant túnels. Gràcies a investigacions com esta, en la qual es desenrotllen i caracteritzen nous i innovadors materials, ho faran amb dents més sàvies: materials capaços de tallar sense esgotar el planeta.

Potser, algun dia, quan una tuneladora perfora rabent, sense tot just contaminar, recordem que tot va començar amb una bola d'alúmina fregant un tros de carbur sota l'atenta mirada d'un microscopi. Perquè, en la ciència i enginyeria dels materials –com en la vida–, el xicotet també obri grans camins.

Sandra Tarancón Román, Professora i Investigadora Postdoctoral en Ciència i Enginyeria dels Materials, Universitat Politècnica de Madrid (UPM); Elena María Tejado Garrido, Professor Titular d'Universitat en Ciència i Enginyeria dels Materials, Universitat Politècnica de Madrid (UPM), Universitat Politècnica de Madrid (UPM) i José Ygnacio Pastor Caño, Catedràtic d'Universitat en Ciència i Enginyeria dels Materials, Universitat Politècnica de Madrid (UPM)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.