La Agencia Espacial Europea (ESA) lleva años investigando cómo las estructuras en el espacio pueden ser más ligeras, más autónomas y más resistentes, pero los últimos resultados del proyecto de seguidor solar pasivo han ido un paso más allá de las expectativas iniciales. En lugar de los sistemas mecánicos clásicos con motores, reductores y sensores, los investigadores han desarrollado una nueva generación de metaestructuras compuestas que cambian de forma por sí solas cuando cambian las condiciones del entorno, apoyándose en los principios de la impresión 4D y en la inspiración de la biología.
Se trata de un enfoque en el que la construcción no se ve solo como un objeto estático, sino como un sistema material con un comportamiento "incorporado". En este concepto, la dimensión del tiempo —la cuarta dimensión en relación con la impresión 3D clásica— se vuelve tan importante como la geometría. Una estructura que en condiciones frías y oscuras es completamente plana puede, por ejemplo, curvarse gradualmente hacia una fuente de calor y radiación a medida que aumenta la temperatura, y luego volver a su posición inicial cuando las condiciones cambian.
La investigación está liderada por un equipo de la Université de Bretagne Sud (UBS) y del grupo de investigación Bionics Group, en colaboración con la ESA y socios industriales. Su trabajo sobre metacompositos tubulares y helicoidales bioinspirados impresos en 4D, publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials Technologies, ha demostrado que tales estructuras pueden programarse con precisión para moverse sin ninguna fuente de energía adicional, solo gracias al cambio de temperatura y a la radiación solar.
Del concepto a la patente: cómo nació la estructura adaptativa autónoma
Dentro de la iniciativa de la ESA para descubrir y probar ideas radicalmente nuevas, los investigadores desarrollaron primero un modelo teórico y simulaciones numéricas del comportamiento de tubos compuestos con una arquitectura interna especialmente diseñada. Analizaron cómo la dirección, densidad y disposición de las fibras en las capas influyen en el giro, la flexión o la torsión cuando el material se calienta. Tal enfoque permitió predecir ya en la fase de diseño cuánto se movería la construcción ante un cambio de temperatura dado.
Los resultados superaron las expectativas iniciales: se demostró que la densidad de energía de estos metacompositos —cuando se normaliza con respecto a su rigidez— puede compararse con las capacidades de las aleaciones clásicas con efecto de memoria de forma, pero con una construcción más sencilla y sin complejos sistemas de actuadores. Esta combinación de desarrollo teórico y experimentos prácticos fue lo suficientemente convincente como para que la ESA protegiera la tecnología con una patente para estructuras compuestas adaptativas tubulares autónomas, destinadas ante todo a aplicaciones espaciales.
El responsable de la actividad en la ESA, Ugo Lafont, destaca que los resultados obtenidos superaron las expectativas iniciales y que precisamente la unión de la investigación académica y la aplicación espacial hizo que el concepto fuera lo suficientemente maduro para la protección por patente.
La patente cubre una nueva forma de ensamblar "bloques de construcción" impresos en 4D en conjuntos modulares que pueden reconfigurarse de forma pasiva. Cada bloque es en sí mismo una metaestructura tubular, pero solo su disposición espacial permite deformaciones sofisticadas de todo el conjunto; por ejemplo, el giro conjunto de la plataforma en la que está instalado un panel solar, sin un solo motor o engranaje.
Tal enfoque cambia el paradigma de la ingeniería clásica: en lugar de añadir posteriormente actuadores, rodamientos y ejes a la estructura, la función se "inscribe" en el propio material. La construcción se vuelve así tanto portante como activa, lo cual es especialmente importante en el espacio, donde cada componente adicional es una carga para el lanzamiento y un punto potencial de fallo.
Rotoprinting: impresión 4D que programa el comportamiento en la propia arquitectura
El avance tecnológico clave del proyecto es el desarrollo de una nueva técnica de fabricación aditiva de compuestos llamada "rotoprinting". A primera vista, el proceso recuerda al bobinado de filamento clásico de tubos compuestos: fibras continuas y matriz se aplican sobre un cuerpo rotatorio. Pero a diferencia del bobinado estándar, el rotoprinting permite la deposición por capas de fibras en patrones helicoidales complejos, donde el ángulo, la secuencia y el grosor de cada capa se controlan con precisión.
Es precisamente a través de este "tejido digital" como se define el comportamiento futuro de la construcción. La proporción de fibras colocadas a ángulos pequeños y grandes, la forma en que se cruzan las capas y las transiciones entre zonas de diferente densidad de fibra determinan si el tubo se doblará, se retorcerá o combinará ambos efectos principalmente al calentarse. Así, la impresión no solo crea la geometría, sino que escribe en la arquitectura del material el plan de deformación.
Los investigadores han demostrado que combinando diferentes secciones de tubo —cada una con su propio "programa" de deformación— se puede construir una estructura más larga cuyo comportamiento cambia a lo largo de su longitud. Un segmento puede reaccionar con fuerza a pequeñas diferencias de temperatura, otro se activa solo a temperaturas más altas y un tercero permanece casi neutral. De esta manera, un solo elemento compuesto continuo puede contener múltiples zonas funcionales, sin uniones mecánicas.
Otra ventaja de este enfoque es la posibilidad de utilizar fibras continuas y brazos robóticos para producir estructuras muy largas. Mientras que los prototipos de laboratorio son actualmente del orden de un metro, el mismo principio es, con el escalado del equipo, aplicable a estructuras de varios metros de altura o más, lo que abre el camino para su aplicación en granjas solares en superficies planetarias, pero también en antenas espaciales o módulos que deben desplegarse de forma pasiva tras llegar a la órbita.
Seguidor solar inspirado en el girasol: cómo la estructura "sigue" al Sol por sí sola
El demostrador más atractivo de la tecnología desarrollada es el seguidor solar pasivo. En lugar de una serie de motores y ordenadores de control, este sistema consiste en una plataforma sobre la que se instala un panel solar y, debajo de ella, un conjunto complejo de metaestructuras tubulares impresas en 4D. Cuando el Sol calienta un lado de la construcción, la arquitectura interna del compuesto provoca el giro de la plataforma hacia la fuente de calor, de forma similar a como la flor del girasol se orienta hacia él durante el día.
A medida que el Sol se mueve por el cielo, cambia la distribución de la temperatura en la estructura y, con ella, la posición de la plataforma. Cuando las condiciones cambian —por ejemplo, cuando el panel entra en sombra o cae la noche—, el compuesto vuelve gradualmente a una posición más neutral. Todo sucede de forma continua, sin movimientos bruscos ni el ruido que producirían los motores, y sin consumir un solo vatio de energía adicional.
Además del ahorro de energía, el enfoque pasivo aporta una simplificación sustancial del sistema. No hay cables, alimentación, engranajes ni rodamientos que deban lubricarse y mantenerse. Con ello se reduce la masa, pero también el riesgo de fallo, un factor extremadamente importante para equipos que deben funcionar de forma fiable en lugares remotos, ya sea en regiones polares de la Tierra, o en bases lunares o marcianas donde el mantenimiento no es una opción.
Los prototipos de laboratorio han demostrado que es posible lograr un giro significativo de la plataforma en gradientes de temperatura reales, lo que hace que el seguidor pasivo sea competitivo frente a las soluciones clásicas, al menos para ciertos escenarios. Aunque se trata de un demostrador en un nivel de desarrollo tecnológico temprano, el concepto ha mostrado claramente que el comportamiento "inteligente" puede obtenerse a través del diseño de la metaestructura y no mediante la adición de electrónica.
Fibras de basalto y regolito lunar: construcción a partir de recursos locales
Uno de los aspectos más interesantes del proyecto es su conexión con las investigaciones sobre el uso de recursos locales en la Luna. Las fibras de basalto, que constituyen la base de muchos de los metacompositos desarrollados, pueden obtenerse potencialmente del regolito lunar, es decir, la masa rocosa pulverulenta de grano fino que cubre la superficie de la Luna. La ESA e instituciones asociadas ya han realizado estudios sobre la extracción y procesamiento de tales fibras para las necesidades de construcción de hábitats lunares y elementos de infraestructura.
Si las fibras de basalto pueden producirse en la propia Luna y luego combinarse con matrices adecuadas en materiales geopolímeros u otros compuestos, se abre la posibilidad de una producción completamente local de estructuras impresas en 4D. Brazos robóticos podrían utilizar el regolito lunar como materia prima, crear metaestructuras tubulares y ensamblarlas en elementos portantes, pero también funcionalmente activos, como seguidores solares pasivos o soportes adaptativos de antenas de comunicación.
Tal enfoque encaja perfectamente con los principios de la economía circular en un contexto espacial: en lugar de traer desde la Tierra complejos conjuntos mecánicos, en la Luna se utilizaría la roca local, y las estructuras resultantes podrían adaptarse o reciclarse varias veces durante su vida útil. Una vez terminada su tarea primaria, los mismos tubos y bloques podrían integrarse en barreras protectoras, módulos de almacenamiento u otros componentes de una futura base lunar.
En este proceso, la impresión 4D aporta una ventaja adicional: el mismo material puede realizar diferentes funciones en diferentes fases de la misión. Al principio, las metaestructuras estarían optimizadas para el despliegue y la orientación, y más tarde podría valorarse más su contribución a la rigidez mecánica o a la protección contra la radiación. Al cambiar las condiciones del entorno, también cambia el papel dominante que desempeña el comportamiento incorporado del material.
Sostenibilidad mediante la simplificación de los sistemas espaciales
En el centro de toda la historia se encuentra la idea de que la sostenibilidad en el espacio se logra a menudo mediante una simplificación radical. Cada motor, sensor o conjunto electrónico requiere energía, redundancia y masas adicionales, y cada conexión mecánica es un punto potencial de fallo. Si una función como la orientación hacia el Sol puede lograrse haciendo que la propia estructura se encargue de ella, el sistema espacial se vuelve más ligero, menos complejo y más autónomo.
Las metaestructuras impresas en 4D encajan en esa lógica: una vez producidas e instaladas, no necesitan más entradas que los cambios naturales en el entorno. En el espacio, esto significa ciclos de temperatura entre el lado soleado y el sombreado de la órbita o rotaciones planetarias, mientras que en las superficies planetarias también entran en juego los cambios estacionales. El material se comporta como un "ordenador pasivo" que, basándose en el cambio de temperatura, "calcula" cuánto y en qué dirección debe moverse.
Tal enfoque responde también al objetivo estratégico más amplio de la ESA de aumentar el grado de autonomía de los sistemas en sus futuras misiones y reducir la necesidad de una intervención constante desde la Tierra. En condiciones de retraso de la señal y flujo de datos limitado, cualquier mecanismo que "sepa" por sí mismo lo que debe hacer, sin control activo, aporta una ventaja operativa directa.
Al mismo tiempo, estructuras más sencillas significan un mantenimiento más sencillo. Si se produce un daño, la sustitución de un módulo de la metaestructura puede ser más rápida y económica que la reparación de todo un mecanismo motorizado. El enfoque modular, tal como prevé el concepto patentado, permite ir ampliando o adaptando gradualmente el sistema en función de las necesidades de la misión.
De la Luna a la Tierra: aplicaciones en energía y construcción
Aunque los primeros demostradores se concibieron para el espacio, los investigadores desarrollan paralelamente versiones terrestres de la tecnología. En lugar de fibras de basalto vinculadas al regolito lunar, se utilizan fibras naturales locales —por ejemplo lino, cáñamo u otras materias primas vegetales— que se combinan con matrices adecuadas para crear biocompuestos con un comportamiento programado. De esta manera, el concepto de metaestructuras "espaciales" gana aplicaciones muy concretas en el contexto de la transición verde en la Tierra.
Los seguidores solares pasivos podrían utilizarse en pequeñas y medianas instalaciones solares donde el beneficio del seguimiento del Sol es significativo, pero la mecánica compleja es demasiado cara. A diferencia de los sistemas industriales masivos, aquí unos sencillos módulos impresos en 4D permitirían un seguimiento básico de la posición del Sol sin necesidad de mantenimiento constante, lo cual es especialmente atractivo para zonas remotas o de difícil acceso.
Otra área potencial de aplicación son los elementos de fachada y sombreado que cambian de forma según la temperatura o la intensidad de la radiación. Tales estructuras podrían dejar pasar más calor solar en invierno y "cerrarse" en verano para reducir el sobrecalentamiento del espacio, todo ello sin sensores ni motores. Los biocompuestos impresos en 4D se convierten así en una herramienta para la regulación pasiva de los flujos térmicos en edificios y la reducción del consumo de energía para calefacción y refrigeración.
En proyectos de infraestructura, también son posibles construcciones adaptativas que amortigüen vibraciones o se adapten a las cargas, por ejemplo en puentes, torres o soportes de equipos. Aunque tales aplicaciones están todavía en fase de estudios conceptuales, la idea común es que, en lugar de complejos sistemas activos, nos apoyemos en materiales diseñados "inteligentemente".
Socios industriales y laboratorio conjunto para el escalado de la tecnología
Para que la tecnología pase de la mesa de laboratorio a la aplicación industrial, la Université de Bretagne Sud ha establecido un laboratorio conjunto con la empresa Coriolis Composites, uno de los principales fabricantes de celdas robóticas y software para la colocación automatizada de fibras compuestas. En ese laboratorio conjunto, denominado CompoMorph, se investiga cómo trasladar los principios del rotoprinting y la impresión 4D a equipos y procesos que ya funcionan hoy en las plantas industriales.
Los brazos robotizados que Coriolis Composites desarrolla para estructuras compuestas clásicas en aviación, energía y el sector automotriz, ganan un nuevo papel como plataformas para la fabricación de metaestructuras con forma variable. En lugar de limitarse a colocar capas para lograr la resistencia y rigidez deseadas, ahora deben seguir con precisión también la "trayectoria de comportamiento" definida por los investigadores: la geografía de las fibras que determina cómo cambiará la estructura a lo largo del tiempo.
La colaboración con la industria incluye también la definición de futuras especificaciones para misiones espaciales. Las empresas del sector espacial están interesadas en sistemas que podrían reducir la masa y la complejidad de antenas espaciales, paneles o estructuras que se despliegan tras el lanzamiento. Los actuadores pasivos basados en compuestos impresos en 4D ofrecen la posibilidad de trasladar parte de esas funciones del dominio de la mecánica y la electrónica al dominio de los materiales avanzados.
Tal transferencia de conocimiento desde los laboratorios de investigación al contexto industrial es clave también para la financiación futura del desarrollo. El proyecto de seguidor solar pasivo ha seguido vivo a través de nuevas propuestas al programa Discovery de la ESA, pero también a través de proyectos nacionales y europeos orientados a la impresión 4D y a los compuestos sostenibles.
Nuevas investigaciones y próximos pasos en el desarrollo de compuestos 4D
El trabajo sobre metacompositos tubulares y helicoidales bioinspirados no terminó con la publicación de un artículo científico o la aprobación de una patente. Al contrario, precisamente esos resultados han abierto nuevas preguntas y han impulsado una serie de estudios posteriores. Uno de ellos se orienta al desarrollo de biocompuestos sostenibles impresos en 4D que combinen fibras naturales y matrices biobasadas, donde el énfasis se pone en el cambio de forma programado con una huella de carbono mínima.
Una segunda área de investigación se refiere al escalado de la tecnología y a la fiabilidad en condiciones reales. Es necesario examinar en detalle cómo afecta el calentamiento y enfriamiento cíclico prolongado a las propiedades de las metaestructuras, cuántas veces es posible "activar" la deformación sin una fatiga apreciable del material y cómo afectan los daños locales al comportamiento global de la construcción. Estas cuestiones son cruciales antes de que los seguidores solares pasivos o sistemas similares empiecen a diseñarse para misiones con un alto grado de riesgo.
Una tercera línea de investigación se ocupa de la integración de este tipo de estructuras en sistemas de ingeniería más amplios. Incluso cuando nos apoyamos en el cambio de forma pasivo, es necesario comprender cómo se comportará la metaestructura 4D en combinación con soportes, paneles, tanques o instrumentos clásicos. Los modelos de simulación deben abarcar tanto el comportamiento térmico como el mecánico, pero también la interacción con el entorno: desde el vacío y la radiación hasta los campos de carga en el lanzamiento.
Y finalmente, los equipos de investigación siguen trabajando en la ampliación del espacio de diseño: se buscan nuevos patrones de colocación de fibras, nuevas combinaciones de materiales y nuevas geometrías de estructuras tubulares y de placa que puedan responder a desafíos específicos de las misiones. Cada nuevo patrón es a su vez una nueva "palabra" en el lenguaje con el que los ingenieros se comunican con el material, definiendo qué debe hacer este cuando las condiciones cambian.
La innovación abierta como motor del desarrollo de tecnologías espaciales
La idea del seguidor solar pasivo y de las metaestructuras impresas en 4D para el cambio de forma programable se presentó originalmente a través de la plataforma de la ESA para innovaciones espaciales abiertas, la Open Space Innovation Platform (OSIP). Este mecanismo permite a investigadores de la academia y la industria proponer conceptos poco convencionales que los programas tradicionales podrían no reconocer de inmediato.
Tras la selección inicial, el proyecto se financió a través del elemento Discovery de las Actividades Básicas de la ESA, que sirve como campo de pruebas para investigaciones más arriesgadas pero potencialmente disruptivas. Fue en ese marco donde el equipo recibió la libertad de experimentar con la combinación de tecnología de compuestos avanzada, inspiración de la biología y el concepto de impresión 4D. El resultado es un ejemplo de cómo un estudio relativamente pequeño puede convertirse en una patente, una serie de artículos científicos y toda una nueva dirección de investigación.
Aunque pasará tiempo antes de que los seguidores solares pasivos basados en metaestructuras 4D se encuentren en la Luna o en campos solares comerciales en la Tierra, los resultados de hoy ya están cambiando la forma en que pensamos sobre las estructuras. En lugar de ver los materiales como "soportes" pasivos, cada vez los percibimos más como participantes activos en el funcionamiento de los sistemas: desde el despliegue de equipos en el espacio hasta la gestión de la energía en nuestras ciudades.
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Hora de creación: 18 diciembre, 2025