‘Cerámicos y vidrios’

Materiales en ITER

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Esta entrada hace referencia a ITER, uno de los mayores proyectos científicos, en el que intervienen varios países. Su objetivo es demostrar que es posible la fusión nuclear y que se puede aprovechar de una manera comercial. El reactor de fusión ITER que se está construyendo actualmente en Francia alcanzará su “primer plasma” en 2025, cinco años después de lo previsto.

El objetivo es generar energía de un modo similar al que se genera en el sol, mediante la fusión de dos núcleos de hidrógeno para generar helio: dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro núcleo con mayor masa. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón) y energía.

Reacción de fusión

Por lo tanto el combustible para los reactores de fusión será una mezcla de deuterio y tritio. Este combustible se calentará a millones de grados formando un plasma caliente. El dispositivo central del ITER es un tokamak, es decir el plasma se confina magnéticamente en una cámara de vacío toroidal. Los fuertes campos magnéticos son producidos por bobinas superconductoras que rodean la cámara.

La elección de los materiales para ITER ha sido una tarea complicada y controvertida. Hay que tener en cuenta la complejidad de la operación y los múltiples factores que hay que estudiar para validar su uso en ITER. La evolución de la microestructura en un reactor de fusión puede llevar a la degradación de las propiedades físicas: disminución de la conductividad térmica y eléctrica y degradación de las propiedades mecánicas. La formación de gas puede causar un hinchamiento macroscópico del material, dando lugar a una pérdida de estabilidad dimensional. Estos efectos son los principales factores que limitan la elección de los materiales candidatos para los reactores de fusión. Además de una buena resistencia al daño por radiación, los materiales deben mostrar alta capacidad de resistencia térmica, larga vida útil, alta fiabilidad y fabricación sencilla con un coste razonable.

Sección transversal de la vasija del ITER y componentes más importantes

Vasija de vacío

 La vasija de vacío es  una estructura de doble pared con forma de toroide de acero en cuyo espacio interior se confina el plasma, confinado mediante intensos campos magnéticos producidos por bobinas superconductoras. La primera pared se fabricará de berilio. A continuación habrá una pared  de cobre para  refrigerar el berilio y todo ello estará acoplado a una estructura de acero inoxidable.

Este componente proporciona una barrera adecuada para la generación y el mantenimiento de vacío, necesario para limitar la cantidad de impurezas dentro del plasma. Actúa como escudo contra los neutrones y consta de diversas aperturas para los sistemas de calentamiento, equipos de vacío o refrigeración y puertos de control del plasma.

Divertor

La parte inferior, el divertor, estará constituido por una serie de piezas desmontables que tendrán contacto directo con el plasma. Se encargará de limpiar el plasma de impurezas, como pueden ser las que se produzcan por la interacción entre el plasma y la primera pared. Esta parte del reactor es la que tendrá que aguantar la mayor carga energética de toda la vasija de vacío y para ello se recubrirá de wolframio. Estos elementos se encuentran rodeados por una gran estructura de acero, el criostato, que mantiene el conjunto térmicamente aislado.

Sistema magnético

 

Para confinar el plasma se utilizan campos magnéticos producidos por varios electroimanes incluyendo un solenoide central alrededor de la vasija. Se espera que sea necesario un campo magnético elevado, por lo que los solenoides (o bobinas) de los electroimanes se construyen con materiales superconductores y para conseguir la superconductividad están refrigerados por helio líquido a –268,5ºC mediante bombas de circulación que operan a temperaturas criogénicas.

Sistemas de instrumentación de ITER

Hay una serie de sistemas de instrumentación que son necesarios para lograr tener plasma en el interior del reactor y para el correcto funcionamiento de los componentes de ITER. Entre ellos destacamos los sistemas de diagnóstico. Estos sistemas usan mayoritariamente materiales cerámicos como elementos aislantes en cables, bobinas, sondas y pasa-muros o como medio de transmisión para señales ópticas y magnéticas.

Breeder blanket

No es objetivo de ITER el uso de un manto fértil (generador de tritio por bombardeo neutrónico del litio), pero habrá módulos de prueba para probar la generación de tritio al final del proyecto candidatos a ser usados después en el proyecto DEMO (siguiente paso tras el proyecto ITER). Este elemento es clave para el proceso de fusión, puesto que deberá autogenerar la cantidad de tritio necesaria para el funcionamiento del reactor, haciendo viable la fusión como fuente de energía.

El tritio, que apenas está presente en los recursos naturales, se obtiene mediante la reacción nuclear de un medio que contiene Li con los neutrones rápidos procedentes del plasma.

El manto (blanket) consiste en una serie de módulos con un sistema de anclaje mecánico que permite su unión con la vasija de vacío y cuyas principales funciones son la protección para los electroimanes y demás elementos contra las altas temperaturas y la radiación, además de ser el elemento donde se frenan los neutrones, transformándose su energía cinética en calor, que será recogido por el sistema de refrigeración.

El acero que se va a emplear como material estructural de estos módulos es el acero inoxidable 316LN y se harán pruebas con el acero ferrítico/martensítico Eurofer.

Para ITER se han propuesto varios tipos diferentes de envolturas con distintos materiales:

  • HCLL (Helium Colled Lithium Lead), que usa LiPb como generador de tirio y como multiplicador neutrónico y EUROFER y aleaciones W como material estructural.
  • HCPB (Helium Cooled Pebble Bed), Usa cerámicas de Li4SiO4 o LiTiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y EUROFER como material estructural.
  • DCLL (Dual Coolant Lithium Lead),Usa helio como refrigerante de la primera pared y PbLi actúa de segundo refrigerante. El cual está asilado térmicamente y eléctricamente del material estructural mediante flow channels inserts.
  • WCCB ( Water Cooled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2TiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y acero F82H como material estructural.
  • HCCB ( Helium Colled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li4SiO4 como generador de Tritio , berilio como multiplicador neutronico y aceros ferriticos martensiticos como material estructural.
  • LLCB ( Lithium Lead Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2tio3 y aleación de LiPB como materiales generadores de Tritio. Hay dos refrigerantes, helio para la primera pared y aleación LiPB para refrigerar las cerámicas.  Este concepto usa recubrimientos cerámicos para los canales de LiPb.

Ciclo del Tritio en un reactor de fusión

Fuentes en la web:

http://www.iter.org/ (Web del proyecto ITER)

http://fusionforenergy.europa.eu/

http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2016/05/03/133018

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La Instalación Internacional de Irradiación de Materiales

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

En esta ocasión queremos acercar a los lectores del blog hasta la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales, IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), que es una instalación de pruebas para materiales candidatos para el futuro prototipo de reactor de fusión nuclear DEMO (Demonstration Power Plant), proyecto que en torno al año 2030 sucederá al ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Por lo tanto, es una instalación de enorme interés para las personas que trabajamos en el desarrollo de este tipo de materiales.
IFMIF generará un flujo de neutrones con una energía alrededor de 14 MeV, gracias a dos aceleradores de deuterones paralelos, para obtener condiciones de radiación comparables a los de la primera pared de un reactor de fusión. El proyecto IFMIF se inició en 1994 como un programa de investigación científica internacional, llevado a cabo por Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia, y está gestionado por la Agencia Internacional de la Energía.

En DEMO, como en las futuras centrales de fusión, las reacciones de fusión nuclear de deuterio y tritio generarán una gran cantidad de neutrones con una energía de 14.1 MeV, que chocarán con los materiales de la vasija del reactor. El estudio de la degradación de las propiedades mecánicas de los materiales a lo largo de la vida útil del reactor es un parámetro clave en el diseño que conducirá a diseñar componentes más resistentes a la radiación.

Esquema de la instalación (fuente: IFMIF)

Las principales contribuciones que se esperan de IFMIF se pueden resumir en lo siguiente:

• proporcionar datos para el diseño de DEMO y futuros reactores de fusión.
• contribuir a la selección o la optimización de los diferentes materiales de fusión centrándose principalmente en la respuesta a la radiación.
• Pruebas de materiales funcionales complementarios a los materiales para ITER.

Los interesados en obtener más información pueden consultar las páginas de la web del centro: www.ifmif.org

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The materials of the Moon

By G.R. Plaza (UPM)

(English version of the post “Los materiales de la Luna“)

The view of the Moon delights us in unclouded nights. We can see its non-homogeneous surface: the different reflexion properties of the brighter and darker regions have made us to imagine on it a face or other images. Besides, we are surprised by these differences and we wonder what the materiales that reflect the Sun light so differently are.

The first astronomers could imagine that the dark regions were seas of water. Moreover, it was easy to guess that the impressive craters had been produced by the impacts of large objects. Those craters and the cracks on the Moon surface, and also the dark seas, make the extremely beautiful visage. It can be observed in great detail by using, for instance, a photography camera equipped with a teleobjective (see figure 1). Along the history, the astronomers have identified and named the myriad of craters and the seas.

Figure 1. The Moon viewed from Madrid, two days before the full Moon (G.R. Plaza, August 2015).

The seas of the Moon don’t contain water and their darker color is due to their composition. The rocks originated from volcanoes that existed in the Moon a long time ago remain in the seas. By progressive cooling, the lunar volcanoes have lost their activity. Eruptions took place sometimes after the impacts of asteroids or meteoroids. The rocks of volcanic origin, which are basaltic, are darker than the rocks on the lunar crust which form the bright regions. On the lunar seas landed the first vehicle that succesfully got a soft landing (Luna 9, de la URSS, en 1966) and the first humans of the Apollo 11 mission (landing at Sea of Tranquility, 1969). The Apolo 11 mission brought more than 20 kg of lunar samples back to Earth. Those samples and the samples from subsequent expeditions have allowed us to establish the composition of the lunar dust and surface rocks: essentially silicon, aluminum, calcium, iron, magnesium titanium an sodium oxides. Distributed by the US government as gifts, lunar samples are kept in many North-American cities and in various countries.

The similar proportion of oxygen and tungsten isotopes in the lunar and terrestrial minerals, the density of the Moon (lower than the average density of the Earth but similar to the terrestrial mantle), and also the possible explanations for the origin of the Earth-Moon system, have convinced the astronomers that the Earth and the Moon were initially a single object. The most accepted theory is that the separation occurred after a great impact, during the first epoque of the Solar System. That impact produced a ring of debris orbiting around the nascent Earth. The calculations of this model  predict that the debris would have formed the Moon in a few years and, moreover, that most of the material in the new satellite would be initially molten, as a magma. All the lunar rocks are igneous, formed through the cooling of the magma, slowly or more rapidly at the seas.

The fragments of rocks and dust on the lunar surface are called regolith and derive from the rocks. They are the products of variuos rupture mechanisms, including:

  • Fractures produced by the impacts of meteoroids and asteroids. Once the Moon solidified, and since its materials are rocks that are fragile (they absorve low energy during the breaking process), the impacts produce myriads of cracks.
  • Tidal forces. The tidal forces would have contributed to mold the Moon during the solidifying process. The dissipation of energy during the deformation of the materials in the volume of the Moon by the tides would slow down the rotation of the Moon to the point of making it rotate with the same period of translation around the Earth, so that the visible face of the Moon is always the same.* Nowadays, the tides on the Moon produce cyclic loading of the rocks, because of the non-circular elliptic orbit of the Moon. Cyclic loading may produce the rupture of materials, by a process known as fatigue. Typically, the fatigue produces a cumulative damage by progressive microcracking. The ruptures of lunar rocks, at a certain depth, may produce seisms.
  • Stresses originated by the change of temperature between day and night: there is a superposition of temperature variation and stress variation. Typically it is known as thermal fatigue and the result is, again, the progressive damage and final rupture of the material.
  • Solar radiation, which may produce direct damage by breaking chemical bonds.

 

Impacts of asteroids and meteoroids and volcanoes have drawn the beautiful shapes on the lunar surface, stimulating our imagination. The Moon shows us its old wounds, which have remained unaltered during some billions of years. The Earth had similar wounds and now they are attenuated or cleaned by the displacements and deformation of the tectonic plates, eroded by atmospheric of hydrological agents and by the action of living beings.

 

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* Similarly, tides on the Earth dissipate energy by the friction of materials and the movement of water. Slowly, this dissipation of energy slows down the rotation of the Earth, which would reach a stable rotation period by keeping the same face in front of the Moon, if there were not other changes in the Solar System.

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Los materiales de la luna

Por Gustavo R. Plaza (UPM)

En las noches de cielos despejados, no deja de maravillarnos la visión de la Luna, en la que a simple vista podemos observar una superficie no homogénea: el que distintas zonas reflejen la luz del Sol de forma diferente ha hecho que a lo largo de la historia hayamos visto en ella una cara u otras figuras, y también que nos hayamos preguntado por los materiales que la forman y las razones de las diferencias de brillo.

Los primeros astrónomos pudieron imaginar que las zonas oscuras eran mares de agua. Además fue fácil deducir que los impresionantes cráteres que se observan en la superficie corresponden a impactos de grandes cuerpos. Dichos cráteres y las grietas en la superficie lunar, así como sus oscuros mares, forman una imagen de extremada belleza que se puede observar con gran detalle, por ejemplo, empleando una cámara fotográfica con un teleobjetivo (ver figura 1). A lo largo de la historia, los astrónomos han identificado y dado nombre a los diferentes cráteres y mares lunares.

Figura 1. La luna vista desde Madrid, dos días antes de la fase de luna llena (G.R. Plaza, agosto de 2015).

El aspecto más oscuro de los mares de la superficie lunar es debido a su composición: en estos mares han quedado rocas formadas a partir de lava de volcanes que hubo en la luna, si bien, por enfriamiento progresivo, ésta ya ha perdido su actividad volcánica. Las erupciones acontecieron a veces a partir de impactos de meteoroides o asteroides. Las rocas de origen volcánico, basálticas, son más oscuras que las de la corteza lunar que vemos como más brillantes. En los mares alunizaron el primer vehículo espacial que consiguió un alunizaje suave (Luna 9, de la URSS, en 1966) y los primeros humanos en el Apollo 11 (alunizaje en el Mar de la Tranquilidad, 1969). La misión del Apollo 11 incluso trajo a la Tierra algo más de 20 kg de muestras de la superficie lunar. Las muestras lunares de esta expedición y de las expediciones posteriores han permitido establecer la composición de los restos de rocas y polvo lunar: esencialmente óxidos de silicio, aluminio, calcio, hierro, magnesio, titanio y sodio. A partir de regalos del gobierno de EE.UU., actualmente se conservan muestras en numerosas ciudades norteamericanas y en muchos países. Pueden visitarse por ejemplo en el Museo Naval de Madrid, en el museo Universum de México o en el Museo Nacional de Historia Natural de Santiago de Chile.

La similitud en la proporción de isótopos de oxígeno y wolframio en los minerales lunares y terrestres, la densidad de la Luna (menor a la densidad media de la Tierra pero similar a la del manto terrestre), así como las posibles explicaciones a la formación del sistema Tierra-Luna, han hecho que los astrónomos estén convencidos de que inicialmente la Tierra y la Luna fueron un solo cuerpo, y la teoría con mayor aceptación es que la separación se produjo a partir de un gran impacto, durante la etapa de formación del Sistema Solar. El impacto dio lugar a un anillo de restos orbitando alrededor de la Tierra naciente. Los cálculos de este modelo predicen que los restos habrían formado la Luna en unos pocos años y, además, que la mayor parte del material del satélite estaría inicialmente fundido, formando un magma. Los astrónomos aún buscan nuevas pruebas experimentales de los detalles de esta teoría. Todas las rocas de la luna son ígneas, formadas a partir de la solidificación del magma, lentamente o a mayor rapidez en el caso de la lava en los mares.

Los fragmentos de rocas y polvo que se acumulan en la superficie lunar se denominan regolito y derivan de las rocas. Son productos de diversos mecanismos de rotura de las rocas, incluyendo los siguientes:

  • Roturas debido a impactos de meteoroides o asteroides. Una vez solidificada la Luna, y puesto que sus materiales son rocas que tienen una gran fragilidad (y por tanto absorben una baja energía al romperse), los impactos dan lugar a multitud de fracturas.
  • Fuerzas de marea. Las fuerzas de marea en la Luna habrían contribuido a moldearla durante el proceso de solidificación. Además la disipación de energía al deformar los materiales en el volumen de la Luna por efecto de las mareas habría ralentizado la rotación de la Luna hasta hacerla rotar con el mismo periodo que el movimiento de traslación alrededor de la Tierra, de forma que desde la Tierra la cara visible de la Luna es siempre la misma.* Actualmente, las mareas en la Luna hacen que las fuerzas en las rocas varíen cíclicamente por no ser la órbita de la Luna circunferencial sino elíptica. En los materiales, incluso si las fuerzas cíclicas son bajas como para producir una rotura rápida, la repetición a lo largo del tiempo puede acabar dando lugar a una rotura. La variación cíclica de las tensiones en los materiales se conoce como fatiga. Típicamente la fatiga produce un daño acumulativo por formación de microfisuras en el material y puede dar lugar finalmente a su rotura, a pesar de que las mismas tensiones, si se hubieran mantenido constantes, no hubieran producido la rotura. La rotura de rocas en la Luna, a cierta profundidad, puede dar lugar a seismos.
  • Tensiones originadas por los cambios de temperatura entre día y noche: se superponen una variación de temperaturas y una variación de tensiones en el material. Frecuentemente se conoce como fatiga térmica y el resultado es, de nuevo, la acumulación progresiva de microfisuras que puede dar lugar a la rotura final del material.
  • Radiación solar, que puede producir directamente daño por la ruptura de enlaces químicos.

 

Impactos de asteroides y meteoroides y volcanes han dibujado las bellas formas de la superficie lunar, alentando nuestra imaginación. La luna nos permite estudiar en detalle sus antiguas heridas, que a grandes rasgos han permanecido inalteradas durante miles de millones de años, tras el periodo de formación de cráteres y de bombardeo por grandes asteroides. Las mismas antiguas heridas tuvo la Tierra y aparecen actualmente atenuadas o borradas por el desplazamiento y deformación de las placas tectónicas, por la erosión de los agentes atmosféricos e hidrológicos y por la acción de los seres vivos.

 

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* De la misma forma, las mareas en la Tierra disipan energía por la fricción de los materiales y el desplazamiento del agua en los océanos y poco a poco se ralentiza la rotación de la Tierra, que acabaría con la misma cara enfrentada a la Luna si hubiera tiempo antes de que se produzcan otros cambios en el Sistema Solar)

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Materiales para células solares y eficiencia energética

Por G.R. Plaza

Recientemente la UPM publicaba en su web una interesante entrevista al Profesor Gabriel Sala, galardonado con el premio Becquerel por su trabajo pionero en el desarrollo del sistema fotovoltaico de concentración, y queríamos animar a nuestros lectores a leerla, ya que en ella se hablan de los últimos avances en fabricación de células solares y en las posibilidades de esta tecnología para producir energía de forma renovable.

Como dato muy significativo, actualmente puede conseguirse que la energía consumida en la fabricación de las células sea menos de un 10% de la energía generada a lo largo de la vida útil, si bien este porcentaje era muy superior en las células que se han ido instalando hasta ahora. Además, la eficiencia de las células solares ha ido mejorando a lo largo del tiempo, hasta alcanzar valores entorno al 40%. La eficiencia es la relación entre la potencia máxima que pueden producir las células y la potencia de la radiación solar que reciben (ver figura).

Curva esquemática intensidad-diferencia de potencial para una celda solar comercial de silicio policristalino. Desde el punto de vista eléctrico, las condiciones en las que las células producen la máxima potencia pueden caracterizarse obteniendo la curva intensidad-diferencia de potencial (ver figura). Puesto que la potencia producida es igual al producto de ambas magnitudes, el punto de máxima potencia es aquel en el que dicho producto es máximo.

Exceptuando algunas fuentes energéticas como la nuclear (obtiene energía de la fusión o de la fisión de átomos), la maremotriz (obtiene energía de las mareas) y la geotérmica (extrae calor de la tierra), el resto de fuentes energéticas tienen como origen último la radiación solar (directamente en el caso de la energía solar, indirectamente por la evaporación del agua en el caso de la hidroeléctrica, también indirectamente cuando se queman biocombustibles o combustibles fósiles ya que las plantas obtuvieron energía del sol para producir las moléculas que dan lugar a estos combustibles…). Por lo tanto resulta del máximo interés desarrollar las tecnologías que permiten aprovechar eficientemente la radiación solar como fuente energética. En este sentido, es muy interesante ver la explicación del Prof. David MacKay sobre las limitaciones de las fuentes de energía renovables.

 

 

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Eladio Dieste: el arte de sacar el máximo partido a materiales estructurales en el siglo XX

Asistimos hoy en día a un desarrollo de nuevos materiales que se apoya en el empleo de técnicas que permiten estudiar en detalle la microestructura e incluso, en el caso de la nanotecnología, manipulaciones a escala de átomos y moléculas.

Sin embargo, en el ámbito de los materiales estructurales que se emplean en construcción de edificios e infraestructuras, se siguen empleando hoy fundamentalmente los materiales que ya se habían desarrollado ampliamente a mediados del siglo XX: acero, hormigón y cerámica (en forma de ladrillos u otras piezas). Incluso la madera, empleada desde la antiguedad, sigue diendo un material empleado exitosamente. Para los cuatro materiales se han introducido progresivamente mejoras que han aumentado su resistencia y durabilidad. También, se han optimizado las formas de combinar estos materiales, a partir de la idea más simple consistente en reforzar el hormigón con barras (hormigón armado) y cables (hormigón pretensado y postensado) de acero.

Por otro lado, el desarrollo de los ordenadores y de los métodos de cálculo numérico han generalizado en las últimas décadas el empleo de programas informáticos que facilitan enormemente el cálculo de las estructuras.

Sin embargo, antes de disponer de las herramientas informáticas, se realizaron a lo largo del siglo pasado espectaculares estructuras que requerían de la máxima capacidad de los ingenieros estructurales para obtener un modelo matemático adecuado y realizar el cálculo estructural. A veces, las maquetas podían ser una ayuda en la tarea.

Pues bien, es en esta situación, en medio del siglo pasado, cuando realizó su aportación el ingeniero estructural uruguayo Eladio Dieste. Se empeñó en el empleo optimizado de un material sencillo: la cerámica armada. Este material compuesto contiene simplemente cerámica en forma de ladrillos, además de mortero (como en cualquier muro de ladrillos) y barras de acero. Los esfuerzos de Dieste se dedicaron no tanto al desarrollo y mejora del material sino a obtener el máximo partido. Trabajó en el desarrollo de métodos de cálculo que permitían diseñar grandes bóvedas para cubrir grandes superficies, con espesores mínimos de cerámica armada.

Sus estructuras utilizaban cantidades mínimas de material, con la contrapartida de un elevado empleo de mano de obra. Por ello, eran económicamente apropiadas para regiones en las que los costes de los materiales eran relativamente elevadas frente a los de mano de obra. Independientemente de la justificación económica, el obtimizar la cantidad de material necesario en la estructura era parte de la filosofía personal de Eladio Dieste.

Pues bien, los que vivimos en la Comunidad de Madrid, o quienes se acercan a ella, tenemos la oportunidad de visitar algunos edificios proyectados por este singular ingeniero y que han sido construidos en Alcalá de Henares y su entorno. Los lectores interesados podrán encontrar la información con un pequeño tiempo de investigación.

Por G.R. Plaza (UPM)

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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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Materiales para salvar el mundo

Por José Ygnacio Pastor, Dr. en Ciencias Físicas (Catedrático de Universidad, Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

Si de alguna forma podemos definir al homo sapiens sapiens, en contraposición al resto de especies autoconscientes del planeta Tierra, es como un frenético devorador de energía. Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía, de seguir el aumento de población y de consumo energético al ritmo actual, la demanda mundial se multiplicará en un factor entre tres y cinco de aquí a final de siglo. Pero la cantidad de energía disponible, manteniendo el equilibrio ecológico de esta isla de vida que vaga por el universo que es nuestro planeta, es en estos momentos limitada.

Actualmente, en los procesos de transformación de los combustibles en energía los rendimientos siguen siendo muy limitados, y en los mejores casos apenas alcanzan el 50%, pero lo habitual es estar muy lejos de estos valores. Lo peor de todo es que las tozudas leyes de la termodinámica nos limitan que podamos llegar mucho más allá de lo conseguido.

Sólo en los últimos decenios se ha vuelto la vista hacia las energía renovables (solar, eólica e hidráulica, aunque estas dos últimas con mayor o menor intensidad ya se explotaban desde hace mucho tiempo) como opciones alternativas pero aún estamos muy lejos de obtener altos rendimientos a bajos precios.
Por otra parte no tenemos derecho a restringir el desarrollo de los más desfavorecidos, aunque esto tampoco tiene que implicar que en los países desarrollados tengamos que retroceder en nuestra calidad de vida. Además, debemos conseguir el control del calentamiento global terrestre de origen antropogénico. ¿Cómo resolver este dilema?

El reto que tenemos por delante es enorme, y nos va la vida en ello. En este contexto, resulta imprescindible que Materiales y Energía colaboren. Para responder a estas necesidades tenemos varias opciones:

* Utilizar el carbón en forma licuada. El carbón es barato y hay reservas para varios siglos pero el incremento de contaminación que esto implicaría sería inasumible con la tecnología actual. Una respuesta sería encontrar materiales y tecnologías que permitieran la captura y almacenamiento de CO2 de forma segura, barata e indefinida.

* Apostar por las energías renovables. El desarrollo de biocombustibles parece una alternativa, pero en el computo global de emisiones de CO2 siempre el saldo es positivo y la cantidad de tierras de cultivo inmensas. Esto además puede llevar aparejado el encarecimiento, interesado a veces, de los alimentos de primera necesidad. La energía solar fotovoltaica hoy por hoy es una apuesta más estética que real, ya que el precio de la energía generada resulta muy elevado y las instalaciones tardan unos veinte años en amortizarse. Necesitamos materiales baratos para mejorar la eficiencia energética de las células solares. La energía eólica y la termo-solar pueden ser una interesante alternativa pero presentan un problema básico: su aleatoriedad. Es necesario tener centrales de generación alternativas para cuando estas no funcionan, y sistemas de almacenamiento para cuando producen energía en exceso. Esto último requiere el desarrollo de materiales y tecnologías que lo permitan de forma eficiente y barata.

* La energía nuclear, que no está de moda y a todos nos asusta. Las nuevas tecnologías de procesamiento de materiales están empezando a dar respuesta al reprocesamiento de residuos de alta actividad. Adicionalmente, si en algún momento fuera posible el desarrollo de centrales que usen torio como combustible, tendríamos resueltos simultáneamente varios problemas: los residuos de las centrales actuales, la posibilidad de su uso para la proliferación armamentística y las limitaciones de la disponibilidad de uranio, con el torio tendríamos combustible para más de un milenio. Finalmente las centrales de fusión (el combustible en este caso son isótopos de hidrógeno presentes en el agua de mar de forma prácticamente inagotable) se llevan presentando como la respuesta definitiva a nuestros problemas energéticos desde hace cincuenta años. Lamentablemente, todavía estamos lejos de poder dar una fecha de cuándo será posible tener un reactor de estas características pues los problemas, principalmente con los requerimientos de los materiales involucrados, son tan brutales que nos faltan decenios de investigación.

* Ahorrar energía. Posiblemente esta sea la única alternativa plausible y viable que tengamos en estos momentos. La cantidad de energía que desperdiciamos y desperdigamos a nuestro alrededor es enorme. Probablemente más del 80% de la energía contenida en nuestros combustibles se despilfarra. Sólo con conseguir un ahorro del 2% anual en 30 años conseguiríamos tener energía para todos. Si este ahorro además va acompañado de un desarrollo humano mucho más homogéneo en todo el mundo sería posible que la población mundial se estabilizara en torno a los 11.000 millones de humanos. ¿Pero cómo conseguir este ahorro sostenido de energía? Unos pocos materiales pueden tener las respuestas:

- Materiales superconductores de alta temperatura crítica. Buena parte de la energía eléctrica se pierde en su transporte y en la conversión de energía eléctrica a mecánica. Con estos materiales, si finalmente pudieran funcionar a temperatura ambiente, sería posible el transporte de energía sin pérdidas, el movimiento de vehículos con la décima parte de la energía actual, y el funcionamiento de los motores de una manera mucho más eficiente y silenciosa. Además permitiría un almacenamiento sencillo e instantáneo de la energía. Los problemas a resolver para conseguirlo parecen hoy por hoy insalvables, pero hace sólo 30 años era inimaginable que pudieran existir estos materiales.

- Materiales para altas temperaturas. Cuanto mayor sea la temperatura de las centrales térmicas de producción de energía mayor será el rendimiento de la misma y más energía será posible extraer del combustible. En la actualidad prácticamente todas las centrales de producción de energía son centrales térmicas, desde las de carbón a las termosolares pasando por las nucleares. Sólo subir 100 o 200 ºC su temperatura de trabajo permitiría rendimientos mucho mayores, y en esto de nuevo los materiales tienen la respuesta.

- Materiales de efecto térmoelectrico. En todo proceso de combustión tenemos siempre un calor residual que se pierde. Por ejemplo a través del tubo de escape de nuestros coches o por la rodadura de los neumáticos en la carretera. El desarrollo de nuevos materiales de efecto termoeléctrico está abriendo recuperar parte de este calor residual en forma de energía eléctrica.

- Materiales para el aislamiento térmico y la iluminación. En estos momentos disponemos de tecnologías y materiales para hacer edificios y ciudades autosostenibles, donde el calor generado o recibido del exterior se puede utilizar para generar energía y así reducir el impacto ecológico de la construcción.

Como se ha mostrado el factor clave para responder a este reto es el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. Los “Materiales para la Energía” descritos son sólo algunas de las opciones que tenemos a nuestro alcance, pero su mejor conocimiento puede ayudarnos a salvar el mundo.

Fuente:
- “Devoradores de energía”, J.Y. Pastor, www.upm.es, 2012

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La rotura espontánea del vidrio templado

Por Beatriz Sanz , Ing. de Caminos, Canales y Puertos (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

¿Conocemos todo sobre los materiales que utilizamos de manera habitual?

El vidrio templado es uno de los materiales preferidos en edificios singulares, empleado como elemento estructural en muros cortina, pero también lo encontramos en otros lugares más frecuentes, como las marquesinas de las paradas de autobús, mamparas de ducha o puertas.

Fig.1: Ejemplos de utilización del vidrio templado como muro cortina. Torres de Madrid (izq.) y Sede del SESCAM, Toledo (dcha.)

Este vidrio recibe un tratamiento térmico en su fabricación que le confiere unas propiedades mecánicas especiales, como alta resistencia frente a impacto o aguante de un fuerte gradiente térmico, entre otras.

Pero la característica que de verdad lo distingue y lo hace preferible frente a otros tipos de vidrio es que se trata de un vidrio de seguridad: en caso de rotura, “los fragmentos resultantes son pequeños y sus bordes no presentan aristas cortantes”, como se recoge en la norma UNE-EN 12150, de manera que no pueda causar heridas graves a las personas, en contraste con las lajas que se forman en otros tipos de vidrio, como se muestra en la figura 2.

Fig.2. Rotura de un vidrio templado (www.vidrioperfil.com) (izq.) frente a rotura de un vidrio laminado (www.cridesa.es) (dcha.)

El inconveniente: presenta un problema potencialmente grave, su rotura espontánea. Debido a la propia maquinaria, los combustibles y los afinantes que se utilizan en su fabricación, en el vidrio pueden aparecer inclusiones de sulfuro de níquel (NiS). Inicialmente, estas inclusiones se encuentran en fase alpha; pero durante el enfriamiento del vidrio, experimentan un cambio de fase que conlleva un aumento de volumen (del 2.8%, aproximadamente), suficiente para producir la rotura del vidrio en caso de que la inclusión se encuentre en la zona de tensiones de tracción del vidrio. El problema es que este cambio de fase ocurre sin aviso previo y no se produce de manera inmediata durante el enfriamiento, sino que puede tardar entre 5 y hasta 10 años en producirse, estando el vidrio ya en servicio. Este fenómeno, estudiado desde 1961 por Ballantyne [1], sigue siendo un problema en la actualidad.

Fig. 3: Imagen de una inclusión de sulfuro de níquel en vidrio (Barry, 2001)

Existe un ensayo, el Heat Soak Test [3], que consiste en calentar el vidrio a 290 ºC (con una tolerancia de 10ºC) durante dos horas y después dejar enfriar, para provocar el cambio de estado del sulfuro de níquel. Con este tratamiento se reduce el riesgo de rotura espontánea en un 98.5 %, aunque no en un 100%. Sin embargo, este ensayo no es de obligado cumplimiento en España, sino que solamente se recomienda realizarlo, así como se recomienda también disponer de las barreras que se consideren oportunas para minimizar las consecuencias en caso de rotura del vidrio.

Frente a este fenómeno, además de diseñar las protecciones adecuadas, ¿podríamos ser capaces, mediante una comprensión mejor del material, de modificar su estructura para impedir esta rotura espontánea o conseguir un ensayo 100% efectivo, podríamos eliminar la existencia de estas inclusiones, o diseñar un método para poder evaluar in situ la presencia de estas partículas? Nos encontramos ante un nuevo reto de materiales, comprobando, una vez más, que incluso los materiales más tradicionales requieren un estudio más profundo para poder satisfacer las necesidades de la sociedad, cada vez más exigente.

Referencias:

[1] Ballantyne, E.R. and Brown, N.G., CSIRO “Division of Building Research” (Melbourne, Australia), Report Nº 06, 1961.

[2] Barry, J.C. and Ford, S. “An electron microscopic study of nickel sulfide inclusions in toughened glass”,  Journal of Materials Science, 36, 2001.

[3] UNE-EN 14179-1. Vidrio para la edificación: vidrio de silicato sodocálcico de seguridad templado térmicamente y tratado “heat soak”. Parte 1: Definición y descripción. AENOR, 2006.

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