Desarrollo de una sonda micro de doble temperatura–flujo de calor usando película delgada de Pt para mediciones transitorias de calor hasta 1400 °C.

Medir calor extremo en las superficies de futuros vehículos de vuelo

Cuando naves espaciales o aviones de alta velocidad atraviesan la atmósfera a gran velocidad, su piel exterior es bombardeada por calor intenso en fracciones de segundo. Conocer con precisión cuánto calor soportan esas superficies es vital para evitar fallos en motores, depósitos de combustible y recubrimientos protectores. Este artículo presenta un nuevo tipo de sonda sensora de calor de tamaño reducido que puede soportar temperaturas mayores que muchas corrientes de lava y responder lo bastante rápido como para seguir choques térmicos repentinos, ofreciendo una herramienta potente para diseñar vehículos de alta velocidad más seguros.

Por qué es tan difícil medir el calor extremo

Las superficies de modelos de ensayo hipersónicos, álabes de turbina y cámaras de combustión pueden exceder brevemente los 1000 °C mientras son erosionadas por gases a alta velocidad. Los sensores tradicionales de flujo de calor —dispositivos que miden la rapidez con la que el calor entra en una superficie— tienen dificultades en este entorno. Los diseños clásicos son relativamente grandes, lo que perturba el flujo alrededor de ellos, y sus materiales pueden oxidarse o ablandarse, provocando deriva o fallo en las lecturas. Muchos sensores actuales alcanzan su límite por debajo de aproximadamente 1200 °C y responden en milisegundos o más, lo cual es demasiado lento y frágil para los picos de calor agudos e intensos que se observan en pruebas modernas en túneles y en investigación de motores.

Un pilar diminuto diseñado para soportar el calor

Los investigadores diseñaron una sonda en miniatura basada en una película delgada de platino (Pt) arrollada sobre un pilar de alúmina (óxido de aluminio) de 2 milímetros de ancho. Se eligió la alúmina porque es eléctricamente aislante, mecánicamente resistente y puede soportar temperaturas de hasta aproximadamente 1600 °C. En el interior de este pilar cerámico, las pistas eléctricas están ocultas en canales estrechos, lo que protege el cableado de gases calientes y erosivos y reduce el ruido eléctrico. En el exterior, la capa de platino está trazada en un patrón en S para aumentar su longitud, incrementando la sensibilidad a cambios de temperatura al tiempo que se mantiene en una huella muy reducida.

Una piel protectora que evita la degradación de la película

Uno de los retos principales para las películas metálicas a muy altas temperaturas es que la superficie puede reagrupase en islotes, como el agua que forma gotas sobre el vidrio, lo que arruina su comportamiento eléctrico. Para evitar esto, el equipo utilizó impresión por chorro electrohidrodinámico —un método preciso similar a pulverizar tinta— para recubrir el platino con una capa protectora de alúmina diseñada a medida. Tras tratamientos a alta temperatura, este recubrimiento se transforma en una forma cristalina densa y estable llamada alúmina alfa. La microscopía y las mediciones por rayos X mostraron que la película de platino recubierta permanece lisa y bien adherida incluso después de calentarse hasta 1400 °C, mientras que una película sin protección desarrolla vacíos y zonas rugosas a temperaturas menores.

Cómo la sonda convierte el calor en señales

El nuevo sensor funciona de dos maneras complementarias. Primero, al calentarse la película de platino, su resistencia eléctrica aumenta de forma predecible y casi lineal. Alimentando la película con una corriente constante y registrando el cambio de voltaje, se puede calcular la temperatura en la superficie con alta precisión. Segundo, usando un modelo conocido de conducción térmica, la historia temporal de ese voltaje puede convertirse en la historia temporal del flujo de calor —la tasa a la que la energía entra en la superficie. Simulaciones por ordenador confirmaron que la estructura en capas de la sonda produce una relación limpia y casi lineal entre el calor entrante y la señal de salida, mientras que el esfuerzo compresivo en la película, mantenido por las capas de alúmina, ayuda a mantener estable el platino a altas temperaturas.

Poniendo el sensor a prueba

El equipo sometió la sonda a una batería de experimentos. En un horno, la resistencia de la película de platino siguió la temperatura desde ambiente hasta 1000 °C con excelente linealidad y repetibilidad, y la versión protegida sobrevivió hasta unos 1440 °C —aproximadamente un 50 % más que las películas sin protección. Pruebas con láser compararon la nueva sonda con un sensor comercial de flujo de calor y mostraron buen acuerdo: en la potencia más alta probada, el nuevo dispositivo midió alrededor de 71 kW por metro cuadrado de flujo de calor con menos del 1,7 % de error respecto a escala completa y repetibilidad mejor del 0,6 %. Un montaje de calentamiento rápido, que imita cargas térmicas repentinas, reveló que la sonda puede responder en unos 0,2 milisegundos y soportar flujos de calor superiores a 3,5 megavatios por metro cuadrado, con errores de temperatura por debajo del 1 % al compararla con un termómetro infrarrojo.

Qué significa esto para el vuelo hipersónico futuro

En términos simples, este trabajo entrega un termómetro muy pequeño, muy resistente y muy rápido que no solo mide la temperatura sino también con qué violencia el calor está golpeando una superficie. Al poder sobrevivir cerca de 1500 °C, reaccionar en microsegundos y fabricarse en matrices sobre pilares diminutos, es idóneo para mapear las cargas térmicas en vehículos hipersónicos y componentes de motores con gran detalle. Esta capacidad debería ayudar a los ingenieros a diseñar sistemas de protección térmica más fiables y a ensayar nuevos materiales bajo condiciones extremas y realistas, acercando la posibilidad de vuelos de alta velocidad más seguros a la realidad.

Cita: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Palabras clave: sensor de flujo de calor, túnel aerodinámico hipersónico</keyword+t> <keyword>película delgada de platino, medición a alta temperatura, cerámica de alúmina