Mientras el mundo se esfuerza por mejorar la eficiencia de los automóviles y otros vehículos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos, la búsqueda de materiales cada vez más ligeros que sean lo suficientemente fuertes como para ser utilizados en las carrocerías de los automóviles. Los materiales livianos hechos de fibra de carbono, similar al material utilizado para algunas raquetas de tenis y bicicletas, combinan una resistencia excepcional con un peso reducido, pero han sido más costosos de producir que los elementos estructurales comparables hechos de acero o aluminio. Ahora, los investigadores del MIT y de otros lugares han ideado una forma de hacer estas fibras livianas a partir de una materia prima ultrabarata: el material de desecho pesado y pegajoso que queda de la refinación del petróleo, material que las refinerías hoy en día suministran para aplicaciones de bajo valor como asfalto, o eventualmente tratarlo como residuo.
La nueva fibra de carbono no solo es barata de fabricar, sino que ofrece ventajas sobre los materiales de fibra de carbono tradicionales porque puede tener resistencia a la compresión, lo que significa que podría usarse para aplicaciones de carga. El nuevo proceso se describe en la revista Science Advances, en un artículo de la estudiante graduada Asmita Jana, la científica investigadora Nicola Ferralis, el profesor Jeffrey Grossman y otros cinco del MIT, el Instituto de Investigación Occidental en Wyoming y el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee.
La investigación comenzó hace unos cuatro años en respuesta a una solicitud del Departamento de Energía, que buscaba formas de hacer que los automóviles fueran más eficientes y reducir el consumo de combustible al reducir su peso total. “Si miras el mismo modelo de automóvil ahora, en comparación con hace 30 años, es significativamente más pesado”, dice Ferralis. “El peso de los coches ha aumentado más de un 15% dentro de la misma categoría”.
Un automóvil más pesado requiere un motor más grande, frenos más fuertes, etc., por lo que la reducción del peso de la carrocería u otros componentes tiene un efecto dominó que produce ahorros de peso adicionales. El DOE está impulsando el desarrollo de materiales estructurales livianos que coincidan con la seguridad de los paneles de acero convencionales de hoy en día, pero que también se puedan fabricar de manera lo suficientemente económica como para potencialmente reemplazar el acero por completo en los vehículos estándar.
Los compuestos hechos de fibras de carbono no son una idea nueva, pero hasta ahora en el mundo del automóvil solo se han utilizado en unos pocos modelos muy caros. La nueva investigación tiene como objetivo cambiar eso al proporcionar un material de partida de bajo costo y métodos de procesamiento relativamente simples.
Las fibras de carbono de la calidad necesaria para el uso automotriz cuestan al menos $10 a $12 por libra actualmente, dice Ferralis, y “pueden ser mucho más”, hasta cientos de dólares por libra para aplicaciones especializadas como componentes de naves espaciales. Eso se compara con alrededor de US$0,75 por libra de acero, o $2 por aluminio, aunque estos precios fluctúan ampliamente y los materiales a menudo dependen de fuentes extranjeras. A esos precios, dice, fabricar una camioneta con fibra de carbono en lugar de acero duplicaría el costo aproximadamente.
Estas fibras suelen estar hechas de polímeros (como el poliacrilonitrilo) derivados del petróleo, pero utilizan un costoso paso intermedio de polimerización de los compuestos de carbono. El costo del polímero puede representar más del 60% del costo total de la fibra final, dice Ferralis. En lugar de utilizar un producto de petróleo procesado y refinado para empezar, el nuevo enfoque del equipo utiliza lo que es esencialmente la escoria que queda después del proceso de refinación, un material conocido como brea de petróleo. “Es lo que a veces llamamos el fondo del barril”, dice Ferralis.
“El tono es increíblemente desordenado”, dice. Es una mezcolanza de hidrocarburos pesados mixtos, y “eso es realmente lo que lo hace hermoso en cierto modo, porque hay tanta química que se puede explotar. Eso lo convierte en un material fascinante para empezar”.
Es inútil para la combustión, aunque puede quemarse, es un combustible demasiado sucio para ser práctico, y esto es especialmente cierto con las estrictas normas ambientales. “Hay tanto”, dice, “el valor inherente de estos productos es muy bajo, por lo que a menudo se tira en vertederos”. Una fuente alternativa de brea, que el equipo también probó, es la brea de carbón, un material similar que es un subproducto del carbón coquizable, que se usa, por ejemplo, para la producción de acero. Ese proceso produce alrededor de un 80% de coque y un 20% de brea de carbón, “lo que básicamente es un desperdicio”, dice.
Trabajando en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que tenían la experiencia en la fabricación de fibras de carbono en una variedad de condiciones, desde escala de laboratorio hasta escala de planta piloto, el equipo se dedicó a encontrar formas de predecir el rendimiento con el fin de para guiar la elección de las condiciones para esos experimentos de fabricación.
“El proceso que se necesita para hacer una fibra de carbono [a partir de brea] es extremadamente mínimo, tanto en términos de requisitos de energía como en términos de procesamiento real que se necesita hacer”, dice Ferralis.
Jana explica que la brea está “hecha de este conjunto heterogéneo de moléculas, donde uno esperaría que si cambia la forma o el tamaño las propiedades cambiarían dramáticamente”, mientras que un material industrial necesita tener propiedades muy consistentes.
Al modelar cuidadosamente las formas en que se forman los enlaces y el entrecruzamiento entre las moléculas constituyentes, Jana pudo desarrollar una forma de predecir cómo un conjunto determinado de condiciones de procesamiento afectaría las propiedades de la fibra resultante. “Pudimos reproducir los resultados con una precisión tan sorprendente”, dice, “hasta el punto en que las empresas pudieron tomar esos gráficos y predecir” características como la densidad y el módulo elástico de las fibras.
El trabajo arrojó resultados que muestran que al ajustar las condiciones iniciales, se podrían fabricar fibras de carbono que no solo fueran fuertes en tensión, como lo son la mayoría de estas fibras, sino también fuertes en compresión, lo que significa que podrían usarse potencialmente en aplicaciones de carga. Esto abre posibilidades completamente nuevas para la utilidad de estos materiales, dicen.
El llamado del DOE fue para que los proyectos reduzcan el costo de los materiales livianos por debajo de $5 por libra, pero el equipo del MIT estima que su método puede hacerlo mejor que eso, alcanzando algo así como $3 por libra, aunque aún no han hecho un análisis económico detallado.
“La nueva ruta que estamos desarrollando no es solo un efecto de costo”, dice Ferralis. “Podría abrir nuevas aplicaciones, y no tiene que ser vehículos”. Parte de la complicación de hacer compuestos de fibra convencionales es que las fibras deben convertirse en una tela y colocarse en patrones precisos y detallados. La razón de eso, dice, “es para compensar la falta de resistencia a la compresión”. Es una cuestión de ingeniería superar las deficiencias del material, dice, pero con el nuevo proceso no sería necesaria toda esa complejidad adicional.
El equipo de investigación incluyó a Taishan Zhu y Yanming Wang en MIT, Jeramie Adams en Western Reserve University y Logan Kearney y Amit Naskar en Oak Ridge National Laboratory.
Fuente: Tech Xplore.
