Una receta para combustible de cero emisiones: latas de refresco, agua de mar y cafeína
Fuente: MIT – Massachusetts Institute of Technology
Los ingenieros del MIT han desarrollado un método rápido y sostenible para producir combustible de hidrógeno utilizando aluminio, agua salada y posos de café.
Una fuente sostenible de energía limpia puede estar en las latas de refresco viejas y el agua de mar.
Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han descubierto que cuando el aluminio de las latas de refresco se expone en su forma pura y se mezcla con agua de mar, la solución burbujea y produce hidrógeno de forma natural, un gas que puede utilizarse posteriormente para alimentar un motor o una pila de combustible sin generar emisiones de carbono. Además, esta simple reacción se puede acelerar agregando un estimulante común: la cafeína.
En un estudio publicado en la revista Cell Reports Physical Science, los investigadores demuestran que pueden producir gas hidrógeno dejando caer gránulos de aluminio pretratados, del tamaño de un guijarro, en un vaso de precipitados de agua de mar filtrada. El aluminio está pretratado con una aleación de metal raro que frota eficazmente el aluminio hasta convertirlo en una forma pura que puede reaccionar con el agua de mar para generar hidrógeno. Los iones de sal en el agua de mar pueden, a su vez, atraer y recuperar la aleación, que se puede reutilizar para generar más hidrógeno, en un ciclo sostenible.
Una bolita de aluminio del tamaño de un guijarro, que se deja caer en un vaso de precipitados con agua de mar filtrada, produce gas hidrógeno que burbujea hacia arriba y fuera del recipiente en unos pocos minutos. Los ingenieros del MIT están optimizando esta simple reacción química como una forma eficiente y sostenible de generar combustible de hidrógeno, que imaginan que se puede utilizar para alimentar un motor o una pila de combustible a bordo de embarcaciones marinas y vehículos submarinos.
El equipo descubrió que esta reacción entre el aluminio y el agua de mar produce con éxito gas hidrógeno, aunque lentamente. En un abrir y cerrar de ojos, echaron a la mezcla algunos posos de café y descubrieron, para su sorpresa, que la reacción se aceleró.
Al final, el equipo descubrió que una baja concentración de imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, es suficiente para acelerar significativamente la reacción, produciendo la misma cantidad de hidrógeno en solo cinco minutos, en comparación con dos horas sin el estimulante agregado.
Los investigadores están desarrollando un pequeño reactor que podría funcionar en un buque marino o en un vehículo submarino. El recipiente contendría un suministro de gránulos de aluminio (reciclados de viejas latas de refresco y otros productos de aluminio), junto con una pequeña cantidad de galio-indio y cafeína. Estos ingredientes podrían canalizarse periódicamente hacia el reactor, junto con parte del agua de mar circundante, para producir hidrógeno a demanda. El hidrógeno podría alimentar un motor a bordo para impulsar un motor o generar electricidad para alimentar el barco.
«Esto es muy interesante para aplicaciones marítimas como barcos o vehículos submarinos porque no tendría que llevar agua de mar, está fácilmente disponible», dice el autor principal del estudio, Aly Kombargi, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. «Tampoco tenemos que llevar un tanque de hidrógeno. En su lugar, transportaríamos aluminio como ‘combustible’ y simplemente agregaríamos agua para producir el hidrógeno que necesitamos».
Los coautores del estudio incluyen a Enoch Ellis, estudiante de ingeniería química; Peter Godart PhD ’21, que ha fundado una empresa para reciclar aluminio como fuente de combustible de hidrógeno; y Douglas Hart, profesor de ingeniería mecánica del MIT.
Escudos arriba
El equipo del MIT, dirigido por Hart, está desarrollando métodos eficientes y sostenibles para producir gas hidrógeno, que se considera una fuente de energía «verde» que podría alimentar motores y celdas de combustible sin generar emisiones que calienten el clima.
Un inconveniente de alimentar vehículos con hidrógeno es que algunos diseños requerirían que el gas se llevara a bordo como la gasolina tradicional en un tanque, una configuración arriesgada, dado el potencial volátil del hidrógeno. En cambio, Hart y su equipo han buscado formas de alimentar vehículos con hidrógeno sin tener que transportar constantemente el gas.
Encontraron una posible solución en el aluminio, un material naturalmente abundante y estable que, cuando está en contacto con el agua, sufre una reacción química sencilla que genera hidrógeno y calor.
La reacción, sin embargo, viene con una especie de Catch-22: mientras que el aluminio puede generar hidrógeno cuando se mezcla con agua, solo puede hacerlo en un estado puro y expuesto. En el instante en que el aluminio se encuentra con el oxígeno, como en el aire, la superficie forma inmediatamente una capa delgada de óxido en forma de escudo que evita más reacciones. Esta barrera es la razón por la que el hidrógeno no burbujea inmediatamente cuando dejas caer una lata de refresco en el agua.
En trabajos anteriores, utilizando agua dulce, el equipo descubrió que podían perforar el escudo del aluminio y mantener la reacción con el agua mediante el tratamiento previo del aluminio con una pequeña cantidad de aleación de metales raros hecha de una concentración específica de galio e indio. La aleación sirve como un «activador», eliminando cualquier acumulación de óxido y creando una superficie de aluminio puro que es libre de reaccionar con el agua. Cuando ejecutaron la reacción en agua dulce desionizada, descubrieron que una pelliza de aluminio pretratada producía 400 mililitros de hidrógeno en solo cinco minutos. Estiman que solo 1 gramo de pellets generaría 1,3 litros de hidrógeno en la misma cantidad de tiempo.
Pero para ampliar aún más el sistema se requeriría un suministro significativo de indio galio, que es relativamente caro y raro.
«Para que esta idea fuera rentable y sostenible, tuvimos que trabajar en la recuperación de esta aleación después de la reacción», dice Kombargi.
Junto al mar
En el nuevo trabajo del equipo, descubrieron que podían recuperar y reutilizar el indio galio utilizando una solución de iones. Los iones, átomos o moléculas con una carga eléctrica, protegen la aleación metálica de reaccionar con el agua y la ayudan a precipitar en una forma que se puede extraer y reutilizar.
«Por suerte para nosotros, el agua de mar es una solución iónica que es muy barata y está disponible», dice Kombargi, quien probó la idea con agua de mar de una playa cercana. «Literalmente fui a Revere Beach con un amigo y agarramos nuestras botellas y las llenamos, y luego simplemente filtré las algas y la arena, le agregué aluminio y funcionó con los mismos resultados consistentes».
Descubrió que, de hecho, el hidrógeno burbujeaba cuando añadía aluminio a un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. Y después pudo sacar el indio galio. Pero la reacción ocurrió mucho más lentamente que en el agua dulce. Resulta que los iones en el agua de mar actúan para proteger el galio indio, de modo que puede fusionarse y recuperarse después de la reacción. Pero los iones tienen un efecto similar en el aluminio, formando una barrera que ralentiza su reacción con el agua.
Mientras buscaban formas de acelerar la reacción en el agua de mar, los investigadores probaron varios ingredientes poco convencionales.
«Estábamos jugando con las cosas de la cocina, y descubrimos que cuando añadimos posos de café al agua de mar y dejamos caer gránulos de aluminio, la reacción fue bastante rápida en comparación con el agua de mar», dice Kombargi.
Para ver qué podría explicar la aceleración, el equipo se puso en contacto con colegas del departamento de química del MIT, quienes sugirieron que probaran el imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, que resulta tener una estructura molecular que puede atravesar el aluminio (lo que permite que el material continúe reaccionando con el agua), mientras deja intacto el escudo iónico del galio indio.
«Esa fue nuestra gran victoria», dice Kombargi. «Teníamos todo lo que queríamos: recuperar el galio indio, además de una reacción rápida y eficiente».
Los investigadores creen que tienen los ingredientes esenciales para hacer funcionar un reactor de hidrógeno sostenible. Planean probarlo primero en vehículos marinos y submarinos. Han calculado que un reactor de este tipo, con capacidad para unas 40 libras de pellets de aluminio, podría alimentar un pequeño planeador submarino durante unos 30 días bombeando agua de mar circundante y generando hidrógeno para alimentar un motor.
«Estamos mostrando una nueva forma de producir combustible de hidrógeno, sin transportar hidrógeno, pero llevando aluminio como ‘combustible'», dice Kombargi. «La siguiente parte es averiguar cómo usar esto para camiones, trenes y tal vez aviones. Quizás, en lugar de tener que cargar también con agua, podríamos extraer agua de la humedad ambiental para producir hidrógeno. Eso es más adelante».
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