Nanomateriales como impulsores de la sostenibilidad en transporte

Autores: Juan José Vilatela García, IMDEA Materiales; Tamara Blanco Varela, Airbus

Poca duda cabe de la rapidez con que está cambiando el transporte y de la imparable transformación hacia vehículos con propulsión eléctrica/híbrida. En automoción, la constante reducción en costos de las baterías ion-litio nos pone a las puertas de cambios sísmicos en la movilidad. Se estima que el costo de vehículos de 2-3 ruedas eléctricos (EV, por sus siglas en inglés) será menor que el de motores de combustión interna a partir de 2023, y el de los automóviles comenzando en 20251, consolidando su irrupción en el sector.  

La electrificación en el transporte se observa también en la aviación civil. Los esfuerzos por electrificar los sistemas datan al menos desde los años 80, con la iniciativa conocida como MEA (More Electric Aircraft). Esta tendencia se ha acelerado por el interés en sistemas con tecnologías de propulsión alternativas – baterías y/o hidrógeno-, que en pocos años pasaron de ser diseños futuristas a máquinas que vuelan. Conforme un número creciente de aviones eléctricos/híbridos conceptuales son desarrollados queda patente los enormes retos técnicos para las siguientes décadas.

En un estudio en preparación, los autores hemos identificado tecnologías clave para conseguir los objetivos de sostenibilidad del sector, con especial interés en áreas donde materiales tradicionales serán probablemente reemplazados por nanomateriales. La perspectiva es que retos nuevos requieren materiales nuevos, que deben desarrollarse lo antes posible.

Figura 1. Evolución de la potencia eléctrica del mayor elemento eléctrico en aeronaves.2

Los dos ejemplos más claros son la transmisión y el almacenamiento de energía. La transmisión de energía se refiere en este contexto a la corriente eléctrica. Los estudios de la NASA3 y otras instituciones2 predicen que la potencia del mayor elemento eléctrico en aviones aumentará por un factor de 30 en los próximos 15 años (ver gráfico). Por experiencia, se sabe que a 1kW de potencia en un avión comercial corresponden unos 6.5kgs de peso en cables eléctricos. Esto implicaría que la potencia eléctrica de 30MW proyectada para antes de 2035 requeriría 200 toneladas de cableado eléctrico por avión, ¡el equivalente en peso a cinco A320! 

Claramente los aviones del futuro requerirán alternativas a los conductores de cobre y aluminio usados actualmente. Una opción son los superconductores, materiales exóticos en los que la carga eléctrica fluye prácticamente sin resistencia eléctrica, pero que requieren temperaturas de operación criogénicas y son extremadamente caros (> €5000/kg)4. La otra alternativa son conductores de carbono altamente dopados (mediante intercalación o hibridación con Cu). Más de una década en desarrollo en laboratorios académicos ha conseguido producir cables macroscópicos de nanocarbonos, con conductividad eléctrica superior a metales (para pesos equivalentes) y en formatos similares a componentes industriales (ver Figura 2). Tres elementos adicionales hacen de estos conductores un serio candidato a reemplazar metales en la nueva generación de aviones. Datos históricos muestran una mejora anual del 26% en propiedades eléctricas sin vistas de estabilizarse aún,5 dando aún más margen de mejora. Por otro lado, es sorprendente el gran número de plantas con producción de nanocarbonos en la escala de toneladas y con precios asequibles anunciadas recientemente por las mayores empresas en el sector del petróleo, gas y química fina.5 El vertiginoso desarrollo de estos materials por muchas de estas empresas se debe a su potencial fabricación como subproducto en la generación de combustible hidrógeno a partir de gas natural (ver entrada anterior en este blog).


Figura 2. Cables eléctricos de nanocarbonos. A) Evolución en la conductividad específica (i.e. por unidad de masa) reportada. B) Cable eléctrico de alta potencia.6

En el ámbito de almacenamiento de energía los nanomateriales juegan también un papel clave. Su morfología y dimensiones los hace intrínsecamente tolerantes al daño, a la vez que permite su organización en redes capaces de conducir carga eléctrica y permeables a electrolitos o gases. No es de sorprender, por lo tanto, que los nanomateriales figuren en las hojas de ruta para el desarrollo de las nuevas químicas de baterías, aún a reserva de consideraciones sobre la escasez u origen de las materias primas usadas en la actualidad.7 La Figura 3 muestra la evolución en baterías comerciales de altas prestaciones fabricadas a escala suficiente para suministrar al sector transporte. Superpuestos hay ejemplos recientes a nivel laboratorio de baterías con electrodos nanoestructurados con diferentes químicas. Los altos valores de densidad de energía obtenidos con baterías nanoestructuradas dan un atisbo de su importancia en los futuros sistemas de almacenamiento electroquímico.

Figura 3. Evolución en la densidad media de energía de baterías ion Li comerciales y recientes ejemplos de baterías con electrodos nanoestructurados 8,9,10

Una vez identificadas las aplicaciones de mayor impacto de los nanomateriales en los aviones del futuro próximo, hemos analizado las áreas de desarrollo prioritarias. El objetivo es lograr una progresión paralela en los métodos de fabricación, integración y propiedades. Adicionalmente, conforme aumenta la complejidad de los sistemas de transporte y de los ciclos de vida de los materiales, identificamos el desarrollo de métodos analíticos a nivel sistema como otra prioridad emergente.

La versión completa de este estudio se hará pública en los próximos meses.

Referencias

(1)      Tyson, C. B. J. N. S. S. M. Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrification; 2019.

(2)      Schefer, H.; Fauth, L.; Kopp, T. H.; Mallwitz, R.; Friebe, J.; Kurrat, M. Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric Aircraft. IEEE Access 2020, 8, 84188–84216.

(3)      Madavan, N. Hybrid-Electric and Distributed Propulsion Technologies for Large Commercial Air Transports: A NASA Perspective. In Special Session on Future Electric Aircraft – Systems IEEE ECCE; Montreal, 2015.

(4)      Haugan, T. J. Impact of Nanotechnology on Carbon-Based and Superconducting Wire Development. In 2018 Nanotechnology Materials and Devices (NMD 2018); Cincinnati, 2018.

(5)      Taylor, L. W.; Dewey, O. S.; Headrick, R. J.; Komatsu, N.; Peraca, N. M.; Wehmeyer, G.; Kono, J.; Pasquali, M. Improved Properties, Increased Production, and the Path to Broad Adoption of Carbon Nanotube Fibers. Carbon N. Y. 2020.

(6)      Cress, C. D.; Ganter, M. J.; Schauerman, C. M.; Soule, K.; Rossi, J. E.; Lawlor, C. C.; Puchades, I.; Ubnoske, S. M.; Bucossi, A. R.; Landi, B. J. Carbon Nanotube Wires with Continuous Current Rating Exceeding 20 Amperes. J. Appl. Phys. 2017, 122 (2), 25101.

(7)      European Commission. Report on Raw Materials for Battery Applications; 2018.

(8)      Qiao, Y.; Jiang, K.; Deng, H.; Zhou, H. A High-Energy-Density and Long-Life Lithium-Ion Battery via Reversible Oxide–peroxide Conversion. Nat. Catal. 2019, 2 (11), 1035–1044.

(9)      Park, S.-H.; King, P. J.; Tian, R.; Boland, C. S.; Coelho, J.; Zhang, C. (John); McBean, P.; McEvoy, N.; Kremer, M. P.; Daly, D.; et al. High Areal Capacity Battery Electrodes Enabled by Segregated Nanotube Networks. Nat. Energy 2019, 4 (7), 560–567.

(10)    Amprius Technologies https://www.amprius.com/.

Contacto

Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y Responsable del Grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.

Tamara Blanco Varela, Composites Research & Technology – Multifunctional Materials, Airbus Operations, S.L.

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