14 de agosto de 2014

En lo que va del siglo, los vehículos que utilizan hidrógeno como combustible se han convertido en una opción ante el agotamiento del petróleo y la contaminación por gasolina. Los principales fabricantes de automóviles en el mundo han invertido millones de dólares en investigación y desarrollo de motores que funcionen con este recurso.

Alejandra López Suárez, del Instituto de Física (IF) de la UNAM, trabaja en el diseño de pilas de ese elemento, como celdas de combustible a partir de un hidruro metálico, metal en cuya estructura se introdujo hidrógeno.

TiAlV

“Pongo en contacto el metal con el hidrógeno y aplico calor. Al recibirla, el elemento en forma molecular queda en la superficie. Como el sistema recibe aún esta energía, el hidrógeno molecular se disocia, se convierte en atómico y fluye dentro de la estructura”, explicó.

Los metales son estructuras cristalinas, por lo que sus átomos se acomodan en forma de red. En ellas hay huecos en los que los átomos de hidrógeno, muy pequeños y ligeros, se filtran y utilizan rutas intersticiales para migrar al interior.

“Sin embargo, en esta fase todavía no se tiene un hidruro metálico porque el hidrógeno se puede escapar. El sistema recibe temperatura, por lo que en algún momento se satura de hidrógeno”.

No todos los metales pueden absorber hidrógeno y formar hidruros metálicos. Los que funcionan mejor son las aleaciones de titanio, como la de este metal y el fierro o cromo. No obstante, un hidruro metálico formado por la aleación de titanio-fierro se oxida fácilmente y se vuelve quebradizo a medida que recibe hidrógeno.

Por eso trabajo con una aleación de titanio, aluminio y vanadio (Ti-6Al-4V) conocida también como TiAlV, que en la práctica ha demostrado ser resistente. Aunque también se oxida, tiene la ventaja de que al entrar en contacto con el aire se forma una capa superficial delgada de óxido que protege al resto del material.

Después de muchas pruebas se observó que absorbía gran cantidad de hidrógeno y que en los primeros ciclos de hidrogenación se comportaba como titanio-fierro y titanio-cromo.

“También llevé a cabo pruebas de liberación de este elemento (desorción). Debemos tener control sobre este proceso para que en el momento en que a las pilas se les aplique la temperatura necesaria, liberen el hidrógeno”, puntualizó.

Hidrogenaciones

Con el Peletrón —el acelerador de partículas del IF— y una técnica nuclear denominada ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) midió la cantidad de hidrógeno tanto en la superficie como dentro del TiAlV. Con esta información analizó cada temperatura a la cual se horneó la aleación y cómo ingresó el elemento en ella.

“A mayor temperatura entra más. Para saber en qué momento el TiAlV y el titanio usado como control empezaban a absorberlo apliqué temperaturas desde los 50 grados Celsius hasta los 750. A 500 grados se quedó en la superficie del material; a 550 grados, se absorbió poco, pero a partir de ahí empezó a entrar grandes cantidades. Fue un salto fundamental en la hidrogenación, tanto del titanio como del TiAlV. Este último no sufrió ningún cambio en su estructura, pero el titanio se fracturó a partir de los 650 grados”.

En esta etapa, la investigadora sabía de esta presencia dentro de su material, pero no si estaba como hidruro presente en enlaces o como hidrógeno atómico.

Con otra técnica conocida como difracción de rayos X, que brinda una especie de fotografía del material, se observaron estos vínculos entre los elementos y se comprobó que se formaba hidruro metálico.

Era importante conocer la estabilidad del material por lo cual lo almacenó un año a temperatura ambiente para analizar su evolución. Después de ese lapso descubrió que la cantidad en forma de hidruro metálico se conservaba intacta.

Sin embargo, para usar este último como tanque de combustible, una sola hidrogenación es insuficiente. “Hice hasta cinco más y descubrí que cada vez era más fácil introducir el elemento en el sistema”, dijo.

En éste, el hidrógeno no está en estado gaseoso ni líquido, sino sólido, lo que hace estable y seguro su manejo. Al aplicar altas temperaturas se rompen los enlaces metal-hidrógeno y éste se libera de manera controlada.

Hasta ahora, el hidrógeno almacenado en celdas de combustible puede utilizarse mediante dos procesos: la combustión y la conversión en electricidad. En la primera se quema en un motor de explosión, como la gasolina, pero de esta manera es poco eficiente. En la segunda, las pilas de este elemento dan mejores resultados, pues los vehículos funcionan como si fueran eléctricos de baterías.

Las pilas trabajan así: reciben hidrógeno de las celdas de combustible y oxígeno del aire; luego, mediante un proceso electroquímico se genera vapor de agua y energía eléctrica para hacer funcionar el motor. Como el subproducto del proceso de conversión en electricidad es vapor de agua, este combustible se considera limpio.

Créditos: UNAM-DGCS-464-2014