NANOTUBOS de CARBONO

"Nanobosque"
Demostración de las técnicas de manipulación nanométrica.

Desde el descubrimiento de la molécula C60 por Kroto en 1985, muchas han sido las esperanzas puestas en este nuevo material. En ocasiones las expectativas y proyecciones de futuro sobre potenciales aplicaciones sobrepasaban lo científico y rayaban en la ciencia ficción.

Entre los estudios que siguieron al descubrimiento, el de Iijima en 1991, supuso un importante avance pues descubrió que estos materiales podían tener una estructura en forma de tubo, y que podían tener una sola pared o varias.

Desde entonces se ha desarrollado toda clase de tecnologías para producir y aprovechar las sorprendentes cualidades de este tipo de materiales. Los nanotubos se pueden obtener siguiendo un gran número de técnicas diferentes: ablación laser, descarga de arco eléctrico, descomposición gaseosa, pirolisis, descomposición en horno solar, crecimiento en substratos (cerámicos y zeolitas), CVD, etc.

Los nanotubos y nanofibras de carbono poseen unas sorprendentes propiedades derivadas de su peculiar estructura. Alta conductividad térmica, alta conductividad eléctrica, alta resistencia a la tracción, alta elasticidad, baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica, elevada capacidad de adsorción y lubricación, son reciclables y poseen propiedades anticorrosivas. Sus numerosas bondades las convierten en idóneas para multitud de aplicaciones en todo tipo de sectores industriales. Paso a citar solo los más importantes pues el número crece cada día: Automóvil, aeronáutica, defensa, marina, médico, deportivo, eléctrico y en el campo de las telecomunicaciones.

Su papel será fundamental para componentes clave dentro de la próxima revolución energética. Se emplean en las palas de los aerogeneradores, baterías de litio, pilas de combustible y la física de las altas energías. En 2007 apareció una nueva patente del premio Nobel de Química Alan Heeger de una célula solar orgánica de mayor rendimiento. Las células solares orgánicas son el último intento de convertir la energía fotovoltaica en un método económicamente viable de producir electricidad.

El enorme campo de posibilidades que se abre con los nuevos nanomateriales solo se encuentra limitado por nuestra imaginación.

ALMACENAJE DE HIDRÓGENO




La llama producida por la combustión de hidrógeno es practicamente invisible.
Comparar con la llama producida por los dos cohetes de combustible sólido.

 

Hemos comprobado como el hidrógeno junto con las células de combustible son el método ideal de almacenar electricidad en grandes cantidades. Pero aún faltan escollos tecnológicos por salvar. Las células de combustible son caras de fabricar debido al precio del platino y el hidrógeno es sumamente difícil de almacenar. Hay que tener en cuenta que el hidrógeno gaseoso arde al contacto con el oxígeno del aire (basta con una concentración del 4% de H²). Además la reacción de formación de moléculas de agua puede llegar a ser explosiva, aunque es relativamente menos explosivo que el gas natural. También explota de forma violenta al contacto con el cloro y el flúor. Además al arder, la llama suele ser tan tenue que resulta casi invisible al ojo humano, lo que dificulta la detección de una fuga a plena luz del día. Las llamas de los hidrocarburos son fácilmente observables debido a la presencia de distintas moléculas carbono que les dan sus características coloraciones amarillentas, rojizas o azuladas (dependiendo de la temperatura de la llama). Aunque una ventaja de las llamas de hidrógeno es que tienden a ascender hacia la atmósfera a gran velocidad por lo que permanecen breve tiempo a ras de suelo. Pero en cualquier caso hay que tomar grandes precauciones en el manejo del hidrógeno pues aparte de tremendamente inflamable, el hidrógeno a temperatura ambiente es incoloro e inodoro.

Ante todo hay que aclarar que el hidrógeno no es una fuente de energía, como lo puedan ser la gasolina, el gas natural y demás combustibles fósiles. Eso es debido a que el hidrógeno no se pude hallar libremente en la Tierra. Para conseguir hidrógeno tenemos que producirlo y almacenarlo convenientemente, lo que consume energía. Por tanto el hidrógeno hay que considerarlo como un vector energético, una forma de transportar energía que, mediante las células de combustible, convertimos en  la preciada electricidad. Pero su manipulación es tan peligrosa y compleja que convertirlo en un verdadero almacén energético, lo suficientemente práctico como para utilizarlo en nuestra vida diaria, está resultando todo un reto tecnológico.

A presión y temperatura ambiente, este combustible ocupa un volument tres mil veces superior a la cantidad de gasolina necesaria para almacenar el mismo contenido energético. Para su uso en un automóvil con pila de combustible se necesita almacenar de 4 a 5 kg de hidrógeno para lograr autonomías de hasta 800 km (Toyota FCHV). Cinco kilogramos es muy poco peso pero, al ser un gas tan ligero, ocupa un inmenso volumen (próximo a un campo de futbol). La única solución es almacenarlo a gran presión, de tal modo que quepa en unos pocos depósitos bajo el piso del automóvil. Los primeros depósitos que se idearon para almacenar hidrógeno a gran presión llegaban a los 5.000 psi, pero los depósitos más avanzados como los de Quantum Tecnologys alcanzan los 10.000 psi (700 kg/cm²). Piensen que la presión de inflado de los neumáticos de un automóvil ronda los 2.5 kg/cm² y se darán cuenta de la enorme presión de la que estamos hablando.

Depósito de gas H2 a 700 atmósferas de presión

Pero un depósito que soporte tanta presión interna tiene que conseguir soportar el doble de esa presión en su exterior, para cumplir con las normas de seguridad de los crash test. Por lo que al final del proceso tenemos depósitos blindados con múltiples capas que resultan muy grandes, pesados y costosos. La primera capa suele ser una barrera para que no escape el hidrógeno. Los metales adsorben fácilmente las moléculas de hidrógeno por lo que no sirven como primera barrera. Después se utiliza una estructura diseñada para soportar las enormes presiones y que suele estar compuesta por láminas de carbono entrelazadas (con lo que se disminuye el peso total del conjunto). Finalmente se añaden una o más capas que absorben la energía de los impactos para hacer los depósitos más seguros ante un accidente de tráfico o un disparo.

Depósito de H2 líquido

Otra alternativa de almacenamiento es la licuefacción a temperaturas de 253 grados bajo cero. En este caso los depósitos de hidrógeno han de estar aislados térmicamente o regrigerados con nitrógeno líquido. Aún así, las pérdidas por evaporación son de entre 0.1% y 2% al día. Además hay que tener en cuenta que tanto para comprimir el gas hasta las 700 atmósfera como para la licuefacción se necesita gastar gran cantidad de energía, lo que baja el rendimiento total del conjunto. Esto los convierte en prácticamente inviables para el sector del transporte y se investiga en nuevos métodos, como los materiales con capacidad de retener hidrógeno en elevadas concentraciones (hidruros metálicos, hidruros químicos, microesferas de vidrio o nanotubos de carbono). Sin embargo, todas estas técnicas se encuentran en fase de laboratorio, aún lejos de su aplicación industrial o comercial.