‘Autor: A. Ridruejo’

Un nuevo material para producir hidrógeno, agua potable e incluso suministrar energía

 Por Á. Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

Según una noticia recogida recientemente en la revista Science Daily, una versión nanoestructurada del dióxido de titanio (TiO2) es capaz de desalar agua si se utiliza en membranas semipermeables y de contribuir a recuperar energía a partir de la salmuera desechada en el proceso. También puede duplicar la duración de las baterías de ion litio e incluso usarse como agente bactericida en nuevos vendajes.

El dióxido de titanio es un material abundante, conocido y profusamente utilizado en la industria. Sin ir más lejos, es el pigmento más común que se añade a cualquier esmalte o pintura cuando queremos obtener el color blanco, y está presente en casi todas las cremas de protección solar. Presenta interesantes propiedades químicas, entre ellas, que acelera ciertas reacciones químicas y que se enlaza fácilmente con moléculas de agua. La novedad, desarrollada por el equipo del profesor Darren Sun en la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur), consiste en insertar los cristales de dióxido de titanio en nanofibras. A su vez, estas  nanofibras son las que se procesan para obtener membranas flexibles. Los responsables del equipo de investigación esperan además que las aplicaciones de las membranas de nanofibra con TiO2 sean una gran ayuda para afrontar dos de los principales retos derivados de la superpoblación: la obtención de energía barata y el suministro de agua potable.

Imagen de microscopio electrónico de un grupo de nanofibras de dióxido de titanio obtenidas por el Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.). Cada fibra es 10.000 veces más fina que un cabello humano.

 

El camino para llegar a esta conclusión no ha sido directo. En un principio, el equipo del profesor Sun comenzó a utilizar dióxido de titanio en membranas para resolver el problema del bioensuciamiento,  en el que el crecimiento de colonias bacterianas ocluye los poros de la membrana, lo que provoca la obstrucción del flujo de agua a su través. Durante esta investigación, se descubrió que el dióxido de titanio actuaba como fotocatalizador. En presencia de luz solar, una fracción del agua se descomponía en hidrógeno y oxígeno. Esta reacción también puede darse con platino como catalizador, pero el platino tiene un precio muy superior, y el rendimiento del TiO2  (1,53 ml de H2 por hora y litro de agua de desecho) parece ser tres veces superior. Según el profesor Sun, producir hidrógeno como subproducto de la desalinización del agua permite reducir su coste energético a prácticamente cero. Cualquier excedente podría además ser utilizado en células de combustible o quemado en centrales de ciclo combinado para obtener electricidad.

La naturaleza hidrofílica del dióxido de titanio tiene otra importante ventaja al incorporarse en membranas: el agua penetra en ellas con facilidad, a la vez que otros contaminantes, principalmente los de la sal, se ven repelidos. En estos momentos se trabaja en el desarrollo de una membrana de elevado flujo por ósmosis directa basada en este nuevo material.

Las propiedades antimicrobianas del TiO2 también permiten anticipar su uso como vendaje antibacteriano para evitar infecciones en heridas abiertas.

El equipo de la Universidad Tecnológica de Nanyang también ha desarrollado un dióxido de titanio policristalino de color negro que permite fabricar celdas solares flexibles para la generación de electricidad. El dióxido negro tiene otra aplicación interesante en baterías de litio, puesto que, cuando nanopartículas de este material modificadas con carbono se usan como ánodo, la capacidad de la batería se duplica, lo que proporciona a las baterías una duración mucho mayor antes de descargarse completamente. Este resultado mereció la portada de uno de los números de la revista Journal of Materials Chemistry del año pasado.

El profesor Sun y su equipo no piensan desaprovechar la posible rentabilidad de un material tan prometedor. A la vez que profundizan en el desarrollo del material, están inmersos en la creación de una nueva empresa que comercialice el producto.

 

Referencia de la noticia:

Nanyang Technological University. “Multi-purpose wonder can generate hydrogen, produce clean water and even provide energy.” ScienceDaily, 23 Mar. 2013. Web. 20 Apr. 2013

Otras referencias científicas:

  1. Lei Liu, Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Darren Delai Sun. Concurrent filtration and solar photocatalytic disinfection/degradation using high-performance Ag/TiO2 nanofiber membrane. Water Research, 2012; 46 (4): 1101
  2. Ia Hong Pan, Xiwang Zhang, Alan J. Du, Hongwei Bai, Jiawei Ng, Darren Sun. A hierarchically assembled mesoporous ZnO hemisphere array and hollow microspheres for photocatalytic membrane water filtration. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012; 14 (20): 7481


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El acero, ¿un material pasado de moda?

    Por Á. Ridruejo  (Universidad Politécnica de Madrid)

     El acero es una aleación de hierro y carbono, con una proporción en peso de este último de entre el 0,01% y el 2.1%, al que pueden añadir otros elementos aleantes tales como manganeso, cromo, vanadio o molibdeno. La producción del acero, si bien de un modo muy imperfecto, está atestiguada desde la edad media. Con los avances en siderurgia del siglo XVII, su uso se hizo más común, pero solo con la invención en 1855 del Convertidor Bessemer, que permitía inyectar aire en el metal fundido y eliminar el exceso de carbono, el acero de calidad pudo obtenerse en masa a bajo precio. Hoy en día se producen en el mundo mil trescientos millones de toneladas anuales de acero, lo que convierte a este material en uno de los más utilizados.

En un blog como “Materiales al día”, dedicado esencialmente a novedades científicas y tecnológicas en el ámbito de los materiales, es fácil encontrar ejemplos de nuevos materiales con propiedades asombrosas. Podemos pensar en nuevas fibras poliméricas de altas prestaciones, adhesivos de gran resistencia, materiales compuestos que aúnan resistencia y ligereza, o nuevos materiales procesados con micro o nanotecnología. En este contexto, podría resultar extraño considerar el acero como un material novedoso, pero a continuación veremos que oculta interesantes sorpresas.

Una reciente campaña publicitaria promovida por una asociación europea de fabricantes de acero tenía como lema “El acero está en nuestras vidas”. Esta afirmación puede hacerse en 2012, pero también mantenía su vigencia en la construcción de puentes y rascacielos a principios del siglo XX, en el tendido de ferrocarriles del XIX, o en el uso de armas, herramientas y útiles domésticos desde que la civilización hitita adquiriera cierto dominio de la metalurgia del hierro en torno al siglo XIV antes de Cristo. La explosión tecnológica de los polímeros sintéticos del siglo XX pudo mermar la primacía del acero, pero teniendo en cuenta lo extendido de su uso, aún podría decirse que no hemos abandonado la Edad del Hierro. Esta fidelidad de los hombres hacia el material que nos ocupa sólo se puede explicar gracias a su abundancia natural, a las excelentes propiedades nativas del hierro y a la continua evolución tecnológica de los procedimientos de obtención y procesado, que ha conseguido mejorar dichas propiedades.

Desde sus comienzos, el acero fue utilizado fundamentalmente por su resistencia y ductilidad, pero esta aleación de hierro y carbono es tremendamente adaptable a muy diversos usos. Por un lado, podemos regular la proporción Fe/C para modificar la microestructura y las propiedades, o añadir otros elementos químicos (por ejemplo, la adición de Cr y Ni pueden convertirlo en inoxidable). Si se somete a ciertos tratamientos térmicos como el temple, obtendremos un material más duro y resistente, pero también más frágil y menos deformable. También se puede enriquecer desde la superficie con C o N para aumentar la dureza, o someterlo a procesos mecánicos tales como la deformación en frío o la forja que pueden mejorar selectivamente ciertas propiedades.

Así, tenemos un único material que responde a múltiples exigencias y que compite con éxito con aleaciones ligeras, cerámicas avanzadas o materiales compuestos. Aparte de su versatilidad, el acero tiene la ventaja de ser fácilmente soldable, lo que permite la construcción de grandes estructuras (puentes, buques), así como una muy alta reciclabilidad (más del 70% del acero fabricado en España proviene de chatarra). La asociación APTA muestra en su página web (www.apta.com.es) una serie de cifras sorprendentes:

“-Un kilogramo de acero, que es de alguna manera una mezcla de tecnología por un lado y destreza por el otro, cuesta de media lo mismo que una barra de pan.


 -Los hilos de acero que constituyen el armazón radial de los neumáticos, si tuvieran dos milímetros de diámetro, serían capaces de levantar una carga de una tonelada.


-Si se construyera hoy una réplica de la Torre Eiffel utilizando los recursos en acero nuevos, sería entre tres y cuatro veces más ligera.


-El tablero del Viaducto de Millau, que es desde el 2005 el puente más alto del mundo, representa 36 000 toneladas de acero. Si se hubiera escogido realizarlo en hormigón, habría pesado 120 000 toneladas.


-El acero utilizado en las centrales nucleares es estudiado para resistir a más de 300 grados bajo 200 atmósferas durante más de 40 años.


-Una lámina de algunas micras de espesor de resina colocada entre dos paramentos de acero forma una chapa que reduce el nivel sonoro dividiéndolo por 30.


-Gracias a los progresos sobre las chapas revestidas, las carrocerías de los automóviles tienen una garantía de 12 años contra la corrosión.


-Más del 90 % del agua utilizada para la fabricación de una tonelada de acero es reciclable.
-700 toneladas de acero son recicladas cada minuto en el mundo.


-En sólo un cuarto de siglo, entre 1975 y 2000, el espesor del acero para fabricar las latas de bebidas ha pasado de 0,33 a 0,23 mm, lo que hace que al final (una vez la embutición este acabada) se produzcan latas cuyo espesor no exceda los 0,07 mm.”


Otro ejemplo sería el sector de la automoción. Un Volkswagen Golf GTI de 1975 pesaba 840 kg, tenía una potencia de 110 CV y consumía en torno a 9 litros por 100 km. Gracias a las mejoras tecnológicas, la versión de 2010 había más que duplicado su peso (1870 kg) y había aumentado en 100 CV la potencia, pero el consumo se había reducido a 7,3 l/100 km. Las estructuras con nuevos aceros permiten reducir el peso de los componentes en un 25% proporcionando un incremento de la resistencia a torsión y a flexión del 40% y 52%, respectivamente.

Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”.

Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”. En los nuevos diseños estructurales para automoción se pretende ahorrar un 35% de peso la vez que reducir las emisiones totales durante la vida del vehículo en un 70%. Fuente: WorldAutoSteel

 

 

Esta lista da una idea de los logros conseguidos en el campo del acero, pero el desarrollo no se detiene. Impresiona constatar que la siderurgia produce más de 3.000 tipos diferentes de acero. Mas de la mitad de ellos se han creado en las últimas dos décadas. De hecho, hace 10 años no existían el 50% de los aceros actualmente presentes en el mercado, y existe aún margen de mejora. Algunos de los campos con prioridad para la investigación siderúrgica, planteados por la propia industria, son los siguientes:

-Nuevos aceros para conducción de fluidos a alta presión (o soportando grandes presiones externas).

-Aceros con comportamiento mejorado en condiciones criogénicas.

-Mejora de las propiedades frente al fuego en aceros de construcción.

-Desarrollo de aceros más resistentes a la corrosión.

-Nuevos aceros con mayor durabilidad en distintas condiciones de servicio.

-Aceros para el almacenamiento de hidrógeno.

-Aceros para componentes nucleares (en particular, resistentes a la irradiación neutrónica).

-Aceros de alta resistencia para automoción.

 

El ciclo del acero en Europa (octubre 2007). Las cifras vienen dadas en millones de toneladas. La vida útil viene indicada por v: número de años. Fuente: Plataforma Tecnológica del Acero (Platea)

La mejora de los procesos con un bajo coste, ahorrando material y energía, es también un objetivo prioritario del sector siderúrgico. A esto debe añadirse el esfuerzo investigador encaminado a optimizar los procesos de producción (colada, laminado, control inteligente de procesos) y en otras tecnologías en las que el acero interviene, como son el conformado de piezas, las técnicas de unión (mediante soldadura o adhesivas) o los ensayos no destructivos.

Después de este breve recorrido por el mundo del acero parece claro que, en el caso de que alguien se atreviera a anunciar la muerte del acero como material de actualidad, se le podría responder con aquella cita célebre unas veces atribuida al Don Juan Tenorio de Zorrilla, y otras a Lope de Vega o a una traducción de Le Menteur de Corneille:

“los muertos que vos matáis
gozan de buena salud”

 

 

Referencias:

http://www.aceroplatea.es/index.php

http://www.unesid.org/ElMundoATravesDelAcero/01.html

www.apta.com.es

http://www.worldsteel.org/

http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=&pageid=1016899460

 

 

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Sin un rasguño

Por Álvaro Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Los diseñadores de aeronaves pueden aprender ciertas lecciones de los escorpiones

El escorpión desértico del norte de áfrica, Androctonus australis, es una criatura resistente. La mayoría de los animales que viven en desiertos cavan madrigueras para protegerse del viento cargado de arena. El Androctonus no, soporta todo en la superficie. Incluso cuando la arena azota con velocidades a las que arrancaría pintura de una placa de acero, el escorpión es capaz de moverse rápidamente sin sufrir daño aparente. Han Zhiwu y sus colegas de la Universidad de Jilin en China se preguntaban por qué.

Su curiosidad no es meramente académica. Los motores de aviación y los rotores de los helicópteros están continuamente sometidos a la abrasión del polvo atmosférico, y cualquier método encaminado a disminuir la abrasión resulta muy apreciado. El Dr. Han sospecha que los escorpiones podrían proporcionar una respuesta. Según escribe en la revista Langmuir, ha descubierto que la superficie del exoesqueleto del Androctonus es irregular. Si esta irregularidad en la superficie se traslada a otros materiales, también parece tener un efecto protector.

Las investigaciones del Dr. Han comenzaron con un recorrido en busca de escorpiones por las tiendas de animales de Changchun, ciudad donde se encuentra la universidad. Después de haber obtenido sus especímenes, los fotografió con un microscopio bajo luz ultravioleta. La luz ultravioleta provoca fluorescencia en el exoesqueleto del animal, compuesto de un polisacárido llamado quitina, y revela las características de su superficie. El equipo averiguó que la coraza del Androctonus está cubierta de gránulos hemisféricos de 10 micras de altura y entre 25 y 80 micras de diámetro. Estos gránulos parecían ser la clave de la despreocupación del animal frente a las tormentas de arena.

Para comprobarlo, tomaron más fotografías. En particular, usaron un sistema de barrido láser para componer un mapa tridimensional de la coraza y acoplarlo a un programa que simulaba el impacto de los granos de arena a distintos ángulos de ataque. Esto reveló que los gránulos alteraban el flujo de aire cerca de la superficie del exoesqueleto de tal modo que el ritmo de erosión parecía reducirse. El modelo también predecía que si el exoesqueleto fuera completamente liso, sufriría una velocidad de erosión doble a la que se da en la realidad.

Después de las simulaciones por ordenador, el equipo procedió a la verificación experimental. Colocaron muestras de acero en un túnel de viento y lanzaron granos de arena contra ellas utilizando aire comprimido. Una de las piezas de acero era lisa, mientras que el resto, inspiradas en el exoesqueleto del escorpión, tenían grabadas en su superficie estrías de distintas altura, anchura y separación. Se expuso cada muestra a la tormenta de arena artificial durante cinco minutos y después se pesaron para medir el grado de erosión.

El resultado fue que el patrón más parecido al exoesqueleto del escorpión (a escala, con estrías separadas 2 mm y un tamaño de 5 mm de anchura y 4 mm de altura) demostró ser el que mejor resistía el ataque. Aunque no es tan buena como la predicción del modelo de ordenador para la geometría real del escorpión, esta rugosidad reduce la erosión en un 20% en comparación con la superficie de acero lisa. Según el Dr. Han, la lección para los constructores aeronáuticos es que cierta irregularidad en la superficie podría contribuir a alargar la vida de aviones y helicópteros, al igual que lo hace con la de los escorpiones.

Esta entrada es una traducción de la noticia aparecida en “The Economist” (04/02/2012): http://www.economist.com/node/21545971

Artículo original: Han Zhiwu, Zhang Junqiu, Ge Chao, Wen Li, and Luquan Ren. Erosion Resistance of Bionic Functional Surfaces Inspired from Desert Scorpions. Langmuir, 2012, 28 (5), pp 2914–2921

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Materiales Compuestos en aeronáutica

Por Álvaro Ridruejo , Dr. Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

En esta entrada del blog, vamos a presentar dos aplicaciones en las que la utilización de materiales compuestos supone una importante ventaja.

1) Palas del rotor de un helicóptero

Las palas del rotor de un helicóptero se comportan como pequeñas alas que producen el empuje vertical que la aeronave necesita para volar. Desde el punto de vista del diseño, lo que necesitamos es un material que se deforme poco (suficientemente rígido) y que tenga el menor peso posible. Los materiales compuestos se han venido utilizando en el diseño de palas de rotor desde los años 60.
Las palas de helicóptero presentan un problema muy particular derivado de la combinación de los movimientos de rotación de las propias palas y hacia adelante de la aeronave: puesto que la velocidad de avance del helicóptero puede alcanzar 100 m/s y la velocidad lineal de la punta de la pala en su giro a menudo supera ligeramente los 200 m/s, la velocidad con la que la pala atraviesa el aire en la fase de avance del giro es sustancialmente mayor que la velocidad en la fase de retroceso (300 contra 100 m/s). Si el ángulo de ataque de las palas se mantuviera constante durante el giro, entonces el empuje vertical sería muy distinto en ambos lados del helicóptero y este se desestabilizaría gravemente.

Este efecto, detectado y solucionado por primera vez por el ingeniero español Juan de la Cierva, se puede compensar modificando el ángulo de ataque durante cada giro. Otras modificaciones del ángulo de ataque se utilizan para cambiar de dirección cuando el aparato maniobra.

Es por tanto de suma importancia que las palas tengan una alta rigidez a torsión para que puedan responder fiel y rápidamente a los cambios de ángulo de ataque impuestos por la base del rotor.

Del mismo modo, la rigidez a flexión también debe ser elevada para que la punta del ala no se retrase respecto de su base y para que las palas no se curven hacia arriba por efecto del peso del helicóptero. En la figura puede apreciarse un croquis de una sección de pala.

Las fibras de carbono orientadas a ± 45° respecto del eje de la pala le confieren la rigidez a torsión, mientras que la rigidez a flexión viene dada por las fibras de carbono y vidrio paralelas al eje. Esta configuración también proporciona a la pala una excelente resistencia a la fatiga, con lo que la vida de la pala alcanza las 10.000 horas.

2) Frenos de avión

Los frenos de un avión necesitan un conjunto tremendamente exigente de propiedades, que podemos citar a continuación:
 Buena estabilidad térmica y resistencia al choque térmico
 Baja densidad
 Buena resistencia a alta temperatura
 Alta capacidad térmica
 Alta conductividad del calor
 Buenas características de fricción
 Buena resistencia al desgaste

 

Freno de avión con pastillas de Carbono. Imagen de boeing.com

Durante un aterrizaje de emergencia o un despegue abortado (cuando el avión ya tiene una considerable velocidad en pista), los frenos deben absorber una enorme cantidad de energía sin desintegrarse ni agarrotarse. El diseño típico de un freno de aviación se basa en una serie de discos giratorios intercalados entre otros discos fijos. Cuando se accionan los frenos, el rozamiento entre los discos puede elevar la temperatura de los mismos hasta una media de 1500 °C, con picos de hasta 3000 °C en su superficie. Por esta razón, el material del disco debe tener una gran resistencia mecánica a alta temperatura y una excelente resistencia al choque térmico (capacidad de resistir elevadas diferencias de temperatura sin dañarse). Una buena conductividad térmica es básica para evitar el sobrecalentamiento de las superficies del disco. El carbono tiene una buena conductividad y estabilidad a alta temperatura (sus dimensiones cambian poco con la temperatura).

El carbono en forma de grafito sólido es un candidato, mucho más barato que un material compuesto de carbono/carbono (matriz y refuerzo de carbono), pero la resistencia y tenacidad del material compuesto son claramente superiores. Los discos se fabrican infiltrando fibras de carbono con una brea o una resina polimérica, calentando el conjunto a 1000 °C en ausencia de oxígeno para eliminar impurezas e ir dejando un esqueleto de carbono. El proceso se repite varias veces hasta alcanzar la densidad deseada y finalmente se calienta hasta unos 2500 °C para completar la grafitización.

El peso de los frenos es un asunto muy relevante. Un avión de pasajeros normalmente lleva ocho frenos. Con un diseño convencional (discos de acero y discos de un material friccional), el conjunto alcanza un peso de más de 1000 kg, mientras que un conjunto de frenos de carbono/carbono pesa algo menos de 700 kg. Este ahorro de peso es equivalente a cuatro pasajeros, y a la larga significa un importante ahorro de combustible.

La tecnología de frenos de carbono se introdujo en primer lugar en aviones de combate y en el Concorde, pero en la actualidad está presente en la mayoría de modelos de Boeing y Airbus.

La principal limitación que afecta a este material cuando se expone durante tiempos más prolongados a alta temperatura es su poca resistencia a la oxidación, aunque ya existen recubrimientos que evitan en gran medida este problema.

Fuente: D. Hull & T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 2nd Edition, 1996.

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