Receta para un combustible de cero emisiones: latas de refresco, agua de mar y cafeína
Ingenieros desarrollan un método rápido y sostenible para producir combustible de hidrógeno a partir de aluminio, agua salada y posos de café.
Por Jennifer Chu / MIT News
Los ingenieros del MIT Aly Kombargi (izquierda) y Niko Tsakiris (derecha) trabajan en un nuevo reactor de hidrógeno, diseñado para producir gas de hidrógeno mezclando bolitas de aluminio con agua de mar. Foto: Tony Pulsone
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), en Estados Unidos, 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. Se trata de 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 hidrógeno gaseoso dejando caer gránulos de aluminio pretratados, del tamaño de un guijarro, en un vaso de precipitados de agua de mar filtrada. El aluminio se pretrata con una aleación de metales raros que lo convierte en una sustancia pura capaz de reaccionar con el agua de mar para generar hidrógeno.
A su vez, los iones salinos del agua de mar son capaces de atraer y recuperar la aleación, que puede reutilizarse para generar más hidrógeno, en un ciclo sostenible.
Los posos de café aceleran la reacción entre el aluminio y el agua salada
El equipo del MIT se topó con que esta reacción entre el aluminio y el agua de mar produce con éxito gas de 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 acoplarse a un buque o a un vehículo submarino. El recipiente contendría un suministro de gránulos de aluminio —reciclados de viejas latas de refresco y otros productos de este metal no ferromagnético—, 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 entonces alimentar un motor a bordo para impulsar un motor o generar electricidad para mover un barco.
Un investigador demuestra cómo activar el aluminio sumergiendo una bolita de aluminio en una mezcla de galio e indio. Foto: Tony Pulsone
“Esto es muy interesante para aplicaciones marítimas, como barcos y vehículos submarinos, porque no hay que transportar agua de mar, ya que está disponible —explica Aly Kombargi, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. Y añade—: Tampoco tenemos que transportar un depósito de hidrógeno. En su lugar, transportaríamos aluminio como combustible, y bastaría con añadir agua para producir el hidrógeno que necesitamos”.
Entre los coautores del estudio figuran Enoch Ellis, estudiante de Ingeniería Química; Peter Godart, que ha fundado una empresa para reciclar aluminio como fuente de combustible de hidrógeno; y Douglas Hart, profesor de Ingeniería Mecánica del MIT.
Una fuente de energía verde
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, esto es, 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, en contacto con el agua, experimenta una sencilla reacción química que genera hidrógeno y calor.
Sin embargo, la reacción tiene un inconveniente: aunque el aluminio puede generar hidrógeno al mezclarse con el agua, solo puede hacerlo en estado puro y expuesto. En cuanto el aluminio entra en contacto con el oxígeno, por ejemplo, en el aire, la superficie forma inmediatamente una fina capa de óxido que impide que se produzcan más reacciones. Esta barrera es la razón por la que el hidrógeno no burbujea inmediatamente cuando se deja caer una lata de refresco en el agua.
Primeros experimentos con agua dulce
En trabajos anteriores, donde se utilizó 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 hizo las veces de 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 bolita de aluminio pretratada producía 400 mililitros de hidrógeno en solo cinco minutos. Estiman que solo un gramo de pellets de aluminio generaría 1,3 litros de hidrógeno en el mismo tiempo.
Pero para escalar 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", apunta Kombargi.
Una forma sostenible de generar combustible de hidrógeno. Cortesía: MIT
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 le 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. Y continúa—: 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".
Kombargi descubrió que, de hecho, el hidrógeno burbujeaba cuando añadía aluminio a un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. Y después pudo recuperar 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.
De la cocina al laboratorio
Mientras buscaban formas de acelerar la reacción en el agua de mar, los investigadores probaron varios ingredientes poco convencionales.
“Estábamos jugando con cosas en la cocina y descubrimos que, cuando añadíamos posos de café al agua de mar e introducíamos gránulos de aluminio, la reacción era bastante rápida en comparación con el agua marina”, explica Kombargi.
Para ver qué podía explicar esta aceleración, el equipo se puso en contacto con colegas del Departamento de Química del MIT, que les sugirieron que probaran con el imidazol, un ingrediente activo de la cafeína. Aquel tiene una estructura molecular capaz de atravesar el aluminio —lo que permite que el material siga reaccionando con el agua— y dejar intacto el escudo iónico del galio-indio.
Aly Kombargi sostiene un frasco de gránulos de aluminio mientras comienzan a reaccionar en el agua de mar. Foto: Tony Pulsone
Primeras pruebas con un pequeño planeador submarino
“Esa fue nuestra gran victoria —cuenta Kombargi. Y añade—: Teníamos todo lo que queríamos: recuperar el indio-galio, además de la reacción rápida y eficaz”.
Los investigadores creen disponer de 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 unos 18 kilos de gránulos de aluminio, podría alimentar un pequeño planeador submarino —un tipo de vehículo submarino autónomo o AUV— durante unos treinta días bombeando el agua de mar circundante y generando hidrógeno para alimentar un motor.
“Estamos mostrando una nueva forma de producir hidrógeno combustible, sin llevar hidrógeno pero llevando aluminio como combustible —afirma Kombargi. Y concluye—: La siguiente parte es averiguar cómo utilizar esto para camiones, trenes y quizá aviones. Quizá, en lugar de tener que transportar agua, podríamos extraer agua de la humedad ambiental para producir hidrógeno. Eso es para más adelante”. ▪️
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Aly Kombargi, Enoch Ellis, Peter Godart, Douglas P. Hart. Enhanced recovery of activation metals for accelerated hydrogen generation from aluminum and seawater. Cell Reports Physical Science (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102121
