{"id":134486,"date":"2020-09-11T09:06:52","date_gmt":"2020-09-11T08:06:52","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134486"},"modified":"2020-09-11T09:06:52","modified_gmt":"2020-09-11T08:06:52","slug":"nanomateriales-como-impulsores-de-la-sostenibilidad-en-transporte","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2020\/09\/11\/134486","title":{"rendered":"Nanomateriales como impulsores de la sostenibilidad en transporte"},"content":{"rendered":"

Autores: Juan Jos\u00e9 Vilatela Garc\u00eda, IMDEA Materiales; Tamara Blanco Varela, Airbus<\/strong><\/p>\n

Poca duda cabe de la rapidez con que est\u00e1 cambiando el transporte y de la imparable transformaci\u00f3n hacia veh\u00edculos con propulsi\u00f3n el\u00e9ctrica\/h\u00edbrida. En automoci\u00f3n, la constante reducci\u00f3n en costos de las bater\u00edas ion-litio nos pone a las puertas de cambios s\u00edsmicos en la movilidad. Se estima que el costo de veh\u00edculos de 2-3 ruedas el\u00e9ctricos (EV, por sus siglas en ingl\u00e9s) ser\u00e1 menor que el de motores de combusti\u00f3n interna a partir de 2023, y el de los autom\u00f3viles comenzando en 20251<\/sup>, consolidando su irrupci\u00f3n en el sector. \u00a0<\/span><\/p>\n

La electrificaci\u00f3n en el transporte se observa tambi\u00e9n en la aviaci\u00f3n civil. Los esfuerzos por electrificar los sistemas datan al menos desde los a\u00f1os 80, con la iniciativa conocida como MEA (More Electric Aircraft). Esta tendencia se ha acelerado por el inter\u00e9s en sistemas con tecnolog\u00edas de propulsi\u00f3n alternativas \u2013 bater\u00edas y\/o hidr\u00f3geno-, que en pocos a\u00f1os pasaron de ser dise\u00f1os futuristas a m\u00e1quinas que vuelan. Conforme un n\u00famero creciente de aviones el\u00e9ctricos\/h\u00edbridos conceptuales son desarrollados queda patente los enormes retos t\u00e9cnicos para las siguientes d\u00e9cadas.<\/span><\/p>\n

En un estudio en preparaci\u00f3n, los autores hemos identificado tecnolog\u00edas clave para conseguir los objetivos de sostenibilidad del sector, con especial inter\u00e9s en \u00e1reas donde materiales tradicionales ser\u00e1n probablemente reemplazados por nanomateriales. La perspectiva es que retos nuevos requieren materiales nuevos, que deben desarrollarse lo antes posible.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1. Evoluci\u00f3n de la potencia el\u00e9ctrica del mayor elemento el\u00e9ctrico en aeronaves.2<\/sup><\/em><\/p>\n

Los dos ejemplos m\u00e1s claros son la transmisi\u00f3n y el almacenamiento de energ\u00eda. La transmisi\u00f3n de energ\u00eda se refiere en este contexto a la corriente el\u00e9ctrica. Los estudios de la NASA3<\/sup> y otras instituciones2<\/sup> predicen que la potencia del mayor elemento el\u00e9ctrico en aviones aumentar\u00e1 por un factor de 30 en los pr\u00f3ximos 15 a\u00f1os (ver gr\u00e1fico). Por experiencia, se sabe que a 1kW de potencia en un avi\u00f3n comercial corresponden unos 6.5kgs de peso en cables el\u00e9ctricos. Esto implicar\u00eda que la potencia el\u00e9ctrica de 30MW proyectada para antes de 2035 requerir\u00eda 200 toneladas de cableado el\u00e9ctrico por avi\u00f3n, \u00a1el equivalente en peso a cinco A320!\u00a0<\/span><\/p>\n

Claramente los aviones del futuro requerir\u00e1n alternativas a los conductores de cobre y aluminio usados actualmente. Una opci\u00f3n son los superconductores, materiales ex\u00f3ticos en los que la carga el\u00e9ctrica fluye pr\u00e1cticamente sin resistencia el\u00e9ctrica, pero que requieren temperaturas de operaci\u00f3n criog\u00e9nicas y son extremadamente caros (> \u20ac5000\/kg)4<\/sup>. La otra alternativa son conductores de carbono altamente dopados (mediante intercalaci\u00f3n o hibridaci\u00f3n con Cu). M\u00e1s de una d\u00e9cada en desarrollo en laboratorios acad\u00e9micos ha conseguido producir cables macrosc\u00f3picos de nanocarbonos, con conductividad el\u00e9ctrica 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 generaci\u00f3n de aviones. Datos hist\u00f3ricos muestran una mejora anual del 26% en propiedades el\u00e9ctricas sin vistas de estabilizarse a\u00fan,5<\/sup> dando a\u00fan m\u00e1s margen de mejora. Por otro lado, es sorprendente el gran n\u00famero de plantas con producci\u00f3n de nanocarbonos en la escala de toneladas y con precios asequibles anunciadas recientemente por las mayores empresas en el sector del petr\u00f3leo, gas y qu\u00edmica fina.5<\/sup> El vertiginoso desarrollo de estos materials por muchas de estas empresas se debe a su potencial fabricaci\u00f3n como subproducto en la generaci\u00f3n de combustible hidr\u00f3geno a partir de gas natural<\/span> (ver entrada anterior en este blog<\/a>).<\/p>\n

\"\"<\/a>
\n<\/a><\/p>\n

Figura 2. Cables el\u00e9ctricos de nanocarbonos. A) Evoluci\u00f3n en la conductividad espec\u00edfica (i.e. por unidad de masa) reportada. B) Cable el\u00e9ctrico de alta potencia.6<\/sup><\/em><\/p>\n

En el \u00e1mbito de almacenamiento de energ\u00eda los nanomateriales juegan tambi\u00e9n un papel clave. Su morfolog\u00eda y dimensiones los hace intr\u00ednsecamente tolerantes al da\u00f1o, a la vez que permite su organizaci\u00f3n en redes capaces de conducir carga el\u00e9ctrica 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 qu\u00edmicas de bater\u00edas, a\u00fan a reserva de consideraciones sobre la escasez u origen de las materias primas usadas en la actualidad.7<\/sup> La Figura 3 muestra la evoluci\u00f3n en bater\u00edas comerciales de altas prestaciones fabricadas a escala suficiente para suministrar al sector transporte. Superpuestos hay ejemplos recientes a nivel laboratorio de bater\u00edas con electrodos nanoestructurados con diferentes qu\u00edmicas. Los altos valores de densidad de energ\u00eda obtenidos con bater\u00edas nanoestructuradas dan un atisbo de su importancia en los futuros sistemas de almacenamiento electroqu\u00edmico.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 3. Evoluci\u00f3n en la densidad media de energ\u00eda de bater\u00edas ion Li comerciales y recientes ejemplos de bater\u00edas con electrodos nanoestructurados\u00a08<\/sup>,9<\/sup>,10<\/sup>.\u00a0<\/em><\/p>\n

Una vez identificadas las aplicaciones de mayor impacto de los nanomateriales en los aviones del futuro pr\u00f3ximo, hemos analizado las \u00e1reas de desarrollo prioritarias. El objetivo es lograr una progresi\u00f3n paralela en los m\u00e9todos de fabricaci\u00f3n, integraci\u00f3n 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 m\u00e9todos anal\u00edticos a nivel sistema como otra prioridad emergente.<\/span><\/p>\n

La versi\u00f3n completa de este estudio se har\u00e1 p\u00fablica en los pr\u00f3ximos meses.<\/span><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

(1) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Tyson, C. B. J. N. S. S. M. Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrification<\/em>; 2019.<\/p>\n

(2) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 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<\/em> 2020<\/strong>, 8<\/em>, 84188\u201384216.<\/p>\n

(3) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 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<\/em>; Montreal, 2015.<\/p>\n

(4) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Haugan, T. J. Impact of Nanotechnology on Carbon-Based and Superconducting Wire Development. In 2018 Nanotechnology Materials and Devices (NMD 2018)<\/em>; Cincinnati, 2018.<\/p>\n

(5) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 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.<\/em> 2020<\/strong>.<\/p>\n

(6) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 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.<\/em> 2017<\/strong>, 122<\/em> (2), 25101.<\/p>\n

(7) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 European Commission. Report on Raw Materials for Battery Applications<\/em>; 2018.<\/p>\n

(8) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Qiao, Y.; Jiang, K.; Deng, H.; Zhou, H. A High-Energy-Density and Long-Life Lithium-Ion Battery via Reversible Oxide\u2013peroxide Conversion. Nat. Catal.<\/em> 2019<\/strong>, 2<\/em> (11), 1035\u20131044.<\/p>\n

(9) \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 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<\/em> 2019<\/strong>, 4<\/em> (7), 560\u2013567.<\/p>\n

(10) \u00a0\u00a0 Amprius Technologies https:\/\/www.amprius.com\/.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Juan Jos\u00e9 Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y Responsable del Grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.<\/p>\n

Tamara Blanco Varela, Composites Research & Technology \u2013 Multifunctional Materials, Airbus Operations, S.L.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autores: Juan Jos\u00e9 Vilatela Garc\u00eda, IMDEA Materiales; Tamara Blanco Varela, Airbus Poca duda cabe de la rapidez con que est\u00e1 cambiando el transporte y de la imparable transformaci\u00f3n hacia veh\u00edculos con propulsi\u00f3n el\u00e9ctrica\/h\u00edbrida. En automoci\u00f3n, la constante reducci\u00f3n en costos de las bater\u00edas ion-litio nos pone a las puertas de cambios s\u00edsmicos en la movilidad. Se estima que el costo de veh\u00edculos de 2-3 ruedas el\u00e9ctricos (EV, por sus siglas en ingl\u00e9s) ser\u00e1 menor que el de motores de combusti\u00f3n interna a partir de 2023, y el de los autom\u00f3viles comenzando en 20251, consolidando su irrupci\u00f3n en el sector. \u00a0\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[1],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134486"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=134486"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134486\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":134506,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134486\/revisions\/134506"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=134486"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=134486"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=134486"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}