Piedras en su Tanque de Combustible

Experimentos a bordo de la Estación Espacial Internacional podrían acelerar el camino hacia una economía basada en el hidrógeno.

Abril 17, 2003: Imagínese deteniéndose en una estación de servicio, introduciendo la pistola del surtidor de combustible en el depósito y que el combustible que fluye dentro de él es hidrógeno. Es incoloro, inodoro y el residuo de la combustión del hidrógeno es vapor de agua, absorbida de forma rápida y segura por el medio ambiente. Una libra de hidrógeno proporciona tres veces más energía que una libra de gasolina. ¡Y es el elemento más común en el Universo! No es de extrañar que los científicos estén buscando la manera de hacer del hidrógeno un combustible práctico.

Derecha: Un prototipo de estación de servicio en Las Vegas, NV. Crédito y copyright: Fuel Cell Today.

"Docenas de empresas, incluyendo a todos los mayores fabricantes de automóviles, han diseñado motores que queman hidrógeno, que son muy semejantes a los motores de combustión interna que tenemos actualmente en los coches", dice Al Sacco, director del Centro de la NASA para el Procesamiento de Materiales Avanzados en Microgravedad (Center for Advanced Microgravity Materials Processing - CAMMP) en la Universidad de Northeastern en Boston. "Las celdas de combustible -- otra posible fuente de energía para los coches -- también emplean hidrógeno. Para hacer que estas tecnologías funcionen en el mundo real, los científicos deben encontrar la manera de almacenar y transportar hidrógeno de forma segura y a un costo comparable al de la gasolina".

Anótese aquí para recibir nuestro servicio de ENTREGA INMEDIATA DE NOTICIAS CIENTÍFICAS

No es fácil: el hidrógeno gaseoso es ligero y volátil. Las pequeñas moléculas de H₂ pueden pasar a través de las fisuras y uniones -- y una vez libres se dispersan rápidamente. El hidrógeno se difunde a una velocidad cuatro veces mayor que el metano y diez veces mayor que los vapores de gasolina. Esto es importante para la seguridad porque una fuga se diluye rápidamente y puede parecer inocua. Para cualquiera que desee almacenar el gas esto es una continua preocupación .

El hidrógeno líquido es más compacto y fácil de contener, pero también puede resultar problemático. El hidrógeno se licua a una temperatura aproximada de 20^o K (-253^o C). Mantener un depósito de combustible de hidrógeno líquido requiere el apoyo de un potente sistema criogénico, que puede no ser práctico para vehículos de pasajeros. El hidrógeno líquido es lo suficientemente frío como para congelar el aire. Esto podría causar que las válvulas se tapen y que esto genere un incremento inaceptable de la presión. El material aislante para prevenir estos problemas se agregua al peso del sistema de almacenamiento.

¿Cómo podemos superar estos obstáculos? Es fácil: colocando piedras en el tanque de combustible.

Pero no piedras ordinarias. Zeolitas. Sacco explica: "Las zeolitas son sustancias porosas y rocosas que actúan como esponjas moleculares. En su forma cristalina, las zeolitas están constituidas por una red de túneles y celdas interconectadas, de forma similar a un panal de miel". Un tanque de combustible diseñado con tales cristales debe ser capaz de atrapar y de retener el gas hidrógeno "en un estado casi líquido, sin una potente criogenia". Con el apoyo del programa de Desarrollo de Productos Espaciales de la NASA en el Centro Marshall para Vuelos Espaciales, Sacco y sus colegas del CAMMP están trabajando para hacer realidad los tanques de combustible de zeolita.

Arriba: Los cristales de zeolita forman una cantidad de formas complejas que las hacen altamente absorbentes.

El nombre de zeolita procede de las palabras griegas "zeo" (hervir) y "litos" (piedra), literalmente significa "las rocas que hierven". Esto es debido a que las zeolitas liberan sus contenidos cuando son calentadas.

Sacco describe cómo un depósito de combustible de zeolitas de temperatura controlada podría funcionar: "Agregaríamos algunos iones cargados negativamente a la zeolita. Estos iones actúan como tapones, justo como los tapones de un frasco de tinta; bloquearían los poros de la zeolita cristalina. Mediante el calentamiento del depósito -- sólo ligeramente -- podemos hacer que los iones salgan de los poros. Llenamos la zeolita con hidrógeno, y disminuimos la temperatura al nivel normal, y los iones se deslizan a sus lugares, sellando las salidas".

En la naturaleza se encuentran cerca de 50 tipos de zeolitas con diferentes composiciones químicas y estructuras cristalinas, y los químicos han aprendido a sintetizar muchas más. Cualquiera que tenga un gato ha visto alguna: actúan como absorbentes del olor en las cajas para gatos. "Las zeolitas que tenemos ahora pueden almacenar una cierta cantidad de hidrógeno", señala Sacco. "Pero no la suficiente".

¿Cuánto es suficiente?

Imagine esto: el depósito de combustible de su coche está diseñado con piedra porosa y cristalizada, y esa "piedra" pesa 93 libras. Se detiene en una estación de servicio de hidrógeno y el dependiente introduce 7 libras de hidrógeno en las paredes de zeolita del depósito. Esto, teóricamente, sería el hidrógeno equivalente a un depósito lleno de gasolina, tanto en peso total como en contenido de energía.

Arriba: El depósito de combustible de un Chevy Camaro. A los fabricantes de automóviles les gustaría que los depósitos de hidrógeno fuesen aproximadamente del mismo tamaño y peso y almacenasen la misma cantidad de energía. Crédito y derechos reservados de la imagen: CamaroMuscle.com.

"Si pudiésemos obtener cristales de zeolita que almacenasen del 6% al 7% de su propio peso en hidrógeno", dice Sacco, "entonces un depósito de zeolita lleno de hidrógeno podría ser competitivo frente a un depósito ordinario lleno de gasolina". Sin embargo, las mejores zeolitas existentes tienen capacidad sólo para un 2% a 3%.

En 1995, Sacco viajó al espacio como especialista de carga a bordo del Transbordador Columbia (STS-73). Su propósito: hacer crecer mejores cristales de zeolita. "En ambientes de muy baja gravedad, los materiales se juntan más lentamente, permitiendo que los cristales de zeolita en formación sean más grandes y más regulares". Los cristales de zeolita producidos en la Tierra son pequeños, aproximadamente de 2 a 8 micrones de diámetro. "Eso es cerca de una décima parte del diámetro de un cabello humano". Los que cultivó en el Trasbordador espacial fueron no solamente 10 veces mayores, sino también mejor organizados internamente -- un comienzo prometedor.

Abajo: Los cristales de zeolita cultivados en la Tierra (arriba) y los cristales cultivados a bordo del trasbordador Columbia en 1995 (abajo). [más información]

"El siguiente paso es la Estación Espacial Internacional (EEI)", dice Sacco. Él y otros en el CAMMP han construido una Caldera de Crecimiento de Cristales de Zeolita, que fue instalada en la EEI a principios de 2002. "Ken Bowersox, el comandante de la Expedición 6 de la EEI, ha utilizado la caldera para cultivar algunos cristales para nosotros. Ken tuvo que corregir algunos problemas inesperados con el mezclado de la disolución de crecimiento de cristales, pero tras eso el experimento no tuvo fallas".

"Ahora necesitamos traer esos cristales a la Tierra para poder examinarlos. Unos pocos llegarán en Mayo", cuando la tripulación de la Expedición 6 abandone la EEI en una cápsula Soyuz. "Realmente me gustaría verlos", dice Sacco.

El objetivo, dice, no es la producción en masa de cristales de zeolita en el espacio. Eso no es económico, al menos por ahora. "Simplemente queremos averiguar si es posible cultivar cristales de zeolita que puedan alcanzar el umbral del 7%. Si podemos hacer eso en el espacio, aprenderemos cómo reproducir los procesos en tierra".

A lo largo de toda su carrera, Sacco ha soñado con una transición a escala mundial desde los combustibles fósiles al hidrógeno. Es un gran sueño, pero podría suceder. "Las zeolitas pueden ser la clave del salto tecnológico hacia el combustible de hidrógeno".

Pronto: ¿una estación de servicio de hidrógeno cerca de su casa?