Los investigadores han desarrollado un nuevo método que podría convertir los subproductos de la refinería en materiales estructurales ultraligeros de alto valor para automóviles, aviones y naves espaciales, según publican en la revista ‘Science Advances’.
Mientras el mundo lucha por mejorar la eficiencia de los coches y otros vehículos para frenar las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos, se buscan materiales cada vez más ligeros que sean lo suficientemente resistentes para ser utilizados en las carrocerías de los coches.
Los materiales ligeros de fibra de carbono, similares a los utilizados en algunas raquetas de tenis y bicicletas, combinan una resistencia excepcional con un peso reducido, pero su producción ha sido más cara que la de elementos estructurales comparables de acero o aluminio.
Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), del Instituto de Investigación del Oeste y el Laboratorio Nacional Oak Ridge, todos ellos en Estados Unidos, han ideado una forma de fabricar estas fibras ligeras a partir de una materia prima muy barata: el pesado y pegajoso material de desecho que queda del refinado del petróleo, material que las refinerías suministran hoy para aplicaciones de poco valor, como el asfalto, o que acaban tratando como residuo.
La nueva fibra de carbono no sólo es barata de fabricar, sino que ofrece ventajas sobre los materiales tradicionales de fibra de carbono porque puede tener resistencia a la compresión, lo que significa que podría utilizarse para aplicaciones de carga.
La investigación comenzó hace unos cuatro años en respuesta a una petición del Departamento de Energía, que buscaba formas de hacer más eficientes los coches y reducir el consumo de combustible disminuyendo su peso total. «Si miras el mismo modelo de coche ahora, comparado con el de hace 30 años, es significativamente más pesado –apunta Nicola Ferralis, investigador del MIT–. El peso de los coches ha aumentado más de un 15% dentro de la misma categoría».
Un coche más pesado requiere un motor más grande, frenos más potentes, etc, por lo que la reducción del peso de la carrocería u otros componentes tiene un efecto dominó que produce un ahorro de peso adicional.
Los compuestos de fibra de carbono no son una idea nueva, pero hasta ahora sólo se han utilizado en algunos modelos muy caros. La nueva investigación pretende cambiar esta situación proporcionando un material de partida de bajo coste y métodos de procesamiento relativamente sencillos.
Las fibras de carbono de la calidad necesaria para la automoción cuestan actualmente entre 10 y 12 dólares por libra (entre 9 y 11 euros por medio kilo), apunta Ferralis, y «pueden ser mucho más», hasta cientos de dólares por libra para aplicaciones especializadas como los componentes de naves espaciales.
Estas fibras suelen fabricarse a partir de polímeros (como el poliacrilonitrilo) derivados del petróleo, pero utilizando un costoso paso intermedio de polimerización de los compuestos de carbono. El coste del polímero puede suponer más del 60% del coste total de la fibra final, afirma Ferralis.
En lugar de utilizar un producto petrolífero refinado y procesado para empezar, el nuevo enfoque del equipo utiliza lo que es esencialmente la escoria que queda después del proceso de refinado, un material conocido como brea de petróleo. «Es lo que a veces llamamos el fondo del barril», recuerda.
«La brea es increíblemente sucia», asegura, ya que es una mezcolanza de hidrocarburos pesados mezclados, y «eso es lo que lo hace hermoso en cierto modo, porque hay mucha química que se puede explotar. Eso lo convierte en un material fascinante para empezar».
Es inútil para la combustión porque, aunque puede arder, es un combustible demasiado sucio para ser práctico, y esto es especialmente cierto con el endurecimiento de la normativa medioambiental. «Hay tanta cantidad que el valor inherente de estos productos es muy bajo, por lo que a menudo se deposita en vertederos», añade.
Una fuente alternativa de brea que el equipo también probó es la brea de carbón, un material similar que es un subproducto del carbón de coque, utilizado por ejemplo para la producción de acero. En ese proceso se obtiene un 80% de coque y un 20% de brea de carbón, «que es básicamente un residuo», afirma.
En colaboración con los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que tienen experiencia en la fabricación de fibras de carbono en diversas condiciones, desde la escala de laboratorio hasta la escala de planta piloto, el equipo se dedicó a buscar formas de predecir el rendimiento para orientar la elección de las condiciones de esos experimentos de fabricación.
«El proceso necesario para fabricar una fibra de carbono a partir de brea es realmente mínimo, tanto en términos de requisitos energéticos como en términos de procesamiento real que hay que hacer», dice Ferralis.
La estudiante de posgrado Asmita Jana, autora del estudio, explica que la brea está «compuesta por un conjunto heterogéneo de moléculas, cuyas propiedades cambian drásticamente si se modifica su forma o tamaño», mientras que un material industrial debe tener propiedades muy constantes.
Al modelar cuidadosamente la forma en que se forman los enlaces y las reticulaciones entre las moléculas constituyentes, Jana pudo desarrollar una forma de predecir cómo un determinado conjunto de condiciones de procesamiento afectaría a las propiedades de la fibra resultante.
«Fuimos capaces de reproducir los resultados con una precisión asombrosa hasta el punto de que las empresas podían tomar esos gráficos y ser capaces de predecir» características como la densidad y el módulo elástico de las fibras, añade.
El trabajo produjo resultados que mostraban que, ajustando las condiciones de partida, se podían fabricar fibras de carbono que no sólo eran fuertes en tensión, como la mayoría de las fibras de este tipo, sino también en compresión, lo que significa que podrían utilizarse en aplicaciones de soporte de carga. Esto abre posibilidades totalmente nuevas en cuanto a la utilidad de estos materiales, afirman.
«La nueva ruta que estamos desarrollando no es sólo un efecto del coste –resalta Ferralis–. «Podría abrir nuevas aplicaciones, y no tienen por qué ser vehículos».
Parte de la complicación de fabricar compuestos de fibra convencionales es que las fibras tienen que hacerse en un tejido y colocarse en patrones precisos y detallados. La razón de ello, dice, «es compensar la falta de resistencia a la compresión». Es una cuestión de ingeniería superar las deficiencias del material pero con el nuevo proceso toda esa complejidad extra no sería necesaria.
