Una fuente sostenible de energía limpia podría residir en las viejas latas de refresco y en el agua de mar.

Los ingenieros del MIT han descubierto que cuando el aluminio de las latas de refresco se expone en su forma pura y se mezcla con agua de mar, la solución burbujea y produce de forma natural hidrógeno, un gas que puede utilizarse posteriormente para alimentar un motor o una pila de combustible sin generar emisiones de carbono. Es más, esta sencilla reacción puede acelerarse añadiendo un estimulante común: la cafeína.

En un estudio publicado hoy en la revista Cell Reports Physical Science , los investigadores demuestran que pueden producir gas hidrógeno al dejar caer bolitas de aluminio pretratadas del tamaño de guijarros en un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. El aluminio se trata previamente con una aleación de metales raros que depura eficazmente el aluminio hasta convertirlo en una forma pura que puede reaccionar con el agua de mar para generar hidrógeno. Los iones de sal del agua de mar pueden, a su vez, atraer y recuperar la aleación, que puede reutilizarse para generar más hidrógeno, en un ciclo sostenible..

El equipo descubrió que esta reacción entre el aluminio y el agua de mar produce hidrógeno gaseoso, aunque de forma lenta. Por pura casualidad, añadieron a la mezcla algunos posos de café y descubrieron, para su sorpresa, que la reacción se aceleraba.

Al final, el equipo descubrió que una baja concentración de imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, es suficiente para acelerar significativamente la reacción, produciendo la misma cantidad de hidrógeno en solo cinco minutos, en comparación con dos horas sin el estimulante añadido.

Los investigadores están desarrollando un pequeño reactor que podría funcionar en un buque o vehículo submarino. El buque albergaría un suministro de pellets de aluminio (reciclados de latas de refresco viejas y otros productos de aluminio), junto con una pequeña cantidad de galio-indio y cafeína. Estos ingredientes podrían canalizarse periódicamente hacia el reactor, junto con parte del agua de mar circundante, para producir hidrógeno según la demanda. El hidrógeno podría entonces alimentar un motor a bordo para impulsar un motor o generar electricidad para propulsar el barco.

“Esto es muy interesante para aplicaciones marítimas como barcos o vehículos submarinos porque no tendríamos que llevar agua de mar, ya que está disponible en todo momento”, afirma el autor principal del estudio, Aly Kombargi, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Tampoco tendríamos que llevar un tanque de hidrógeno. En su lugar, transportaríamos aluminio como "combustible" y simplemente añadiríamos agua para producir el hidrógeno que necesitamos”.

Los coautores del estudio incluyen a Enoch Ellis, estudiante de ingeniería química; Peter Godart, PhD ´21, quien fundó una empresa para reciclar aluminio como fuente de combustible de hidrógeno; y Douglas Hart, profesor de ingeniería mecánica del MIT.

Escudos arriba

El equipo del MIT, dirigido por Hart, está desarrollando métodos eficientes y sostenibles para producir gas hidrógeno, que se considera una fuente de energía “verde” que podría alimentar motores y pilas de combustible sin generar emisiones que calienten el clima.

Una desventaja de alimentar vehículos con hidrógeno es que algunos diseños requerirían que el gas se transportara a bordo como la gasolina tradicional en un tanque, una configuración arriesgada, dado el potencial volátil del hidrógeno. Hart y su equipo han buscado en cambio formas de alimentar vehículos con hidrógeno sin tener que transportar constantemente el gas.

Encontraron una posible solución en el aluminio, un material naturalmente abundante y estable que, cuando entra en contacto con el agua, experimenta una reacción química sencilla que genera hidrógeno y calor.

Sin embargo, la reacción se produce en una especie de círculo vicioso: si bien el aluminio puede generar hidrógeno cuando se mezcla con agua, solo puede hacerlo en estado puro y expuesto. En el momento en que el aluminio entra en contacto con el oxígeno, como en el aire, la superficie forma inmediatamente una fina capa de óxido que impide que se produzcan más reacciones. Esta barrera es la razón por la que el hidrógeno no burbujea inmediatamente cuando se sumerge una lata de refresco en agua.

En un trabajo anterior, utilizando agua dulce, el equipo descubrió que podían perforar el escudo del aluminio y mantener la reacción con el agua al tratar previamente el aluminio con una pequeña cantidad de una aleación de un metal raro hecha a partir de una concentración específica de galio e indio. La aleación actúa como un "activador", eliminando cualquier acumulación de óxido y creando una superficie de aluminio puro que es libre de reaccionar con el agua. Cuando realizaron la reacción en agua dulce desionizada, descubrieron que una pastilla de aluminio pretratada producía 400 mililitros de hidrógeno en solo cinco minutos. Calculan que solo 1 gramo de pastillas generaría 1,3 litros de hidrógeno en la misma cantidad de tiempo.

Pero para ampliar aún más el sistema se requeriría un suministro significativo de galio indio, que es relativamente caro y escaso.

“Para que esta idea fuera rentable y sostenible, tuvimos que trabajar en la recuperación de esta aleación después de la reacción”, dice Kombargi.

Por el mar

En el nuevo trabajo del equipo, descubrieron que podían recuperar y reutilizar el galio indio utilizando una solución de iones. Los iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) protegen la aleación de metal de la reacción con el agua y ayudan a que se precipite en una forma que se puede extraer y reutilizar.   

“Por suerte, el agua de mar es una solución iónica muy barata y disponible”, dice Kombargi, que probó la idea con agua de mar de una playa cercana. “Fui literalmente a Revere Beach con un amigo y cogimos nuestras botellas y las llenamos. Después, simplemente filtré las algas y la arena, les añadí aluminio y funcionó con los mismos resultados constantes”.

Descubrió que efectivamente el hidrógeno burbujeaba cuando añadía aluminio a un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. Y después pudo extraer el galio-indio. Pero la reacción se produjo mucho más lentamente que en agua dulce. Resulta que los iones del agua de mar actúan como un escudo para el galio-indio, de modo que puede unirse y recuperarse después de la reacción. Pero los iones tienen un efecto similar sobre el aluminio, ya que forman una barrera que ralentiza su reacción con el agua.

Mientras buscaban formas de acelerar la reacción en el agua de mar, los investigadores probaron ingredientes diversos y poco convencionales.

“Estábamos jugando con cosas en la cocina y descubrimos que cuando añadíamos posos de café al agua de mar y le echábamos bolitas de aluminio, la reacción era bastante rápida en comparación con el agua de mar sola”, dice Kombargi.

Para ver qué podría explicar la aceleración, el equipo contactó a colegas del departamento de química del MIT, quienes sugirieron que probaran con imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, que tiene una estructura molecular que puede atravesar el aluminio (permitiendo que el material continúe reaccionando con el agua), mientras deja intacto el escudo iónico del galio indio.

“Fue nuestro gran triunfo”, afirma Kombargi. “Teníamos todo lo que queríamos: recuperar el galio indio, además de una reacción rápida y eficiente”.

Los investigadores creen que tienen los ingredientes esenciales para hacer funcionar un reactor de hidrógeno sostenible. Planean probarlo primero en vehículos marinos y submarinos. Han calculado que un reactor de este tipo, con una capacidad de unos 18 kilos de pellets de aluminio, podría alimentar un pequeño planeador submarino durante unos 30 días bombeando agua de mar circundante y generando hidrógeno para alimentar un motor.

“Estamos mostrando una nueva forma de producir combustible de hidrógeno, sin transportar hidrógeno, sino con aluminio como "combustible", dice Kombargi. “El siguiente paso es descubrir cómo utilizarlo en camiones, trenes y tal vez aviones. Tal vez, en lugar de tener que transportar también agua, podríamos extraer agua de la humedad ambiental para producir hidrógeno. Eso es lo que está por venir”.

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