Hidruros metálicos almacenar el combustible del futuro

Un proyecto de investigación desarrollado en la UNAM busca aprovechar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de algunos metales para su posterior empleo como combustible. Los resultados obtenidos auguran grandes alcances para la tecnología.

Por Antonia Tapia.

Doctora Alejandra López Suárez, responsable de la implementación del proyecto.

En las últimas décadas, el hidrógeno ha sido considerado por los científicos como uno de los combustibles del futuro. Japón, Estados Unidos, China, Israel o los países nórdicos se encuentran a la vanguardia en cuanto a su estudio, y México no se queda atrás, e instituciones educativas, como la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), a través de su Departamento de Física, también se suman a su investigación. Ejemplo de ello es el proyecto que se encuentra desarrollando la doctora en Física Alejandra López Suárez, el cual tiene como objetivo estudiar el grado de almacenamiento de hidrógeno que tienen algunos metales, para, posteriormente, utilizarlo como combustible en vehículos. Al respecto, Constructor Eléctrico dialogó con la investigadora acerca de sus hallazgos.

Dicho proyecto comenzó en 2001 en el marco de su tesis doctoral. Para la cuantificación del hidrógeno, la investigadora utilizó una técnica de origen nuclear denominada Análisis de Iones de Retroceso o ERDA. Ésta es una forma rápida, precisa y, sobre todo, no destructiva (pues el material no se altera) de conocer la composición de un material y su concentración de hidrógeno.

La investigadora indicó que por medio de un acelerador de partículas, las partículas alfa (que son iones de helio doblemente ionizados) se aceleran para que choquen con los átomos del material. Del mismo modo, precisó que mediante un detector se puede determinar el número de partículas que le llegan a una energía dada y, cómo cada elemento tiene una energía de dispersión bien definida, es posible detectar qué elementos componen la muestra y cuál es su concentración.

“Los materiales que estoy investigando son el titanio, el aluminio y el vanadio, y también ambos materiales modificados iónicamente para cambiar su estructura”, declara Alejandra López Suárez.

Hidruros metálicos
El hidrógeno como energético se puede utilizar en forma líquida y gaseosa, pero su almacenamiento es riesgoso, caro y poco compacto. Por ejemplo, un gramo de hidrógeno en forma gaseosa ocupa un espacio de aproximadamente 11 litros estando a presión atmosférica. Para que resulte conveniente su uso necesita estar presurizado a varios cientos de atmósferas y almacenado en recipientes especiales que soporten tanta presión. Por otro lado, el hidrógeno en su forma líquida sólo se puede almacenar a temperaturas criogénicas y resulta altamente volátil. No obstante, tales inconvenientes y dadas las características propias del hidrógeno, se cuenta con una solución alternativa para su almacenamiento: los hidruros metálicos; es decir, compuestos químicos formados por un metal e hidrógeno.

La investigadora de la UNAM precisó que una de las ventajas que presenta el uso de los hidruros metálicos es que, a diferencia de las fuentes de energía no renovables, éstos no producen contaminación al quemarse, pues su subproducto es el agua; por esta razón se habla del hidrógeno como un combustible limpio.

De igual modo, López Suárez indicó que otra de las razones por la que ha escogido a los hidruros metálicos como medio para contener hidrógeno es su gran capacidad de almacenar energía.

“Al poner en contacto al hidrógeno con un metal que forme hidruros, las moléculas del gas (H2) son adsorbidas en la superficie del metal. Posteriormente, estas moléculas se separan en hidrógeno atómico, entrando en la red cristalina del metal y ocupando sitios intersticiales específicos. A medida que la presión del gas aumenta, un número limitado de átomos de hidrógeno son forzados a entrar al cristal, pero existe un punto de saturación donde la concentración y la presión son críticas; en este momento, el metal se transforma en una nueva fase llamada hidruro metálico. Si la presión del gas continúa aumentando, el metal empieza a absorber grandes cantidades de hidrógeno, funcionando como contenedor de hidrogeno”, puntualiza la investigadora.

Muestras de TiAIV hidrogenadas

Celdas de combustible
Una celda de combustible es un dispositivo que produce electricidad a través de un combustible (hidrógeno proveniente del hidruro metálico) y un oxidante (oxígeno que se obtiene del aire). Cuando estos elementos se queman, se producen agua, y es por esto que la tecnología del hidrógeno es una tecnología limpia, pues el subproducto es dicho líquido.

López Suárez explicó que para que un hidruro metálico sea una buena opción en la fabricación de una celda de combustible es necesario que el metal resista una serie de ciclos de hidrogenación, tal como lo hace una pila que se recarga.

“El principal inconveniente del hidrógeno es que tiende a fragilizar a los metales, algunos en mayor medida que otros. Esto es porque el hidrógeno produce fracturas en el material al entrar en él; así que es importante contar con un metal que se fragilice en la menor medida posible; además de ser barato, abundante y resistente a la corrosión”.

Las características anteriormente mencionadas fueron halladas por la investigadora en una aleación del titanio, llamado TiAlV, que contiene 90 por ciento de titanio, 6 por ciento de aluminio y 4 por ciento de vanadio. Este material, altamente utilizado en la fabricación de prótesis ortopédicas, según dijo la doctora, aún no había sido utilizado para almacenar hidrógeno.

“Otra ventaja del TiAlV es que la hidrogenación se lleva a cabo a presión atmosférica, es decir, sin la necesidad de hacer vacío en el sistema de hidrogenación; el hidrógeno entra al sistema sólo calentando el material a una cierta temperatura. Esto es de suma importancia, ya que la absorción del hidrógeno en otros materiales se da únicamente a presiones bajas, lo cual implica contar con instrumentos especiales con bombas de vacío”, comenta la experta.

La manera como se crea una celda de combustible a partir de los hidruros metálicos es la siguiente: primero es necesario someter el metal a altas temperaturas, bajas presiones o una combinación de ambas en presencia de hidrógeno para producir microfracturas en el material, las cuales sirven de rutas de acceso del hidrógeno al interior del metal. Una vez que el material es activado, empiezan los ciclos de hidrogenación, para los que se necesitan menor temperatura o mayor presión.

En el caso del TiAlV, López Suarez aclaró que la activación y las hidrogenaciones cíclicas se llevan a cabo a presión atmosférica y a temperaturas que varían entre los 550 y 650 grados centígrados.

De acuerdo con la investigadora, hasta el momento se han obtenido buenos resultados, lo que hace pensar en estos materiales para su uso en celdas de combustible. Sin embargo, aclaró que continúa investigando para optimizar la absorción y desorción del hidrógeno en ellos.

Finalmente, aunque la investigadora sostuvo que este tipo de investigaciones tienen por delante grandes retos económicos y técnicos, destacó que el hidrógeno es una fuente de energía renovable que puede jugar un papel esencial en el proceso de descarbonización del planeta.

“Crear una economía del hidrógeno será reemplazar a la economía de los hidrocarburos del siglo XX y vislumbrar a éste como el combustible del futuro para todo tipo de transporte”, concluyó la doctora.
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