Mientras el mundo se esfuerza por mejorar la eficiencia de los autom\u00f3viles y otros veh\u00edculos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la autonom\u00eda de los veh\u00edculos el\u00e9ctricos, la b\u00fasqueda de materiales cada vez m\u00e1s ligeros que sean lo suficientemente fuertes como para ser utilizados en las carrocer\u00edas de los autom\u00f3viles. 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 m\u00e1s 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 refinaci\u00f3n del petr\u00f3leo, material que las refiner\u00edas hoy en d\u00eda suministran para aplicaciones de bajo valor como asfalto, o eventualmente tratarlo como residuo.<\/p>\n\n\n\n
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 compresi\u00f3n, lo que significa que podr\u00eda usarse para aplicaciones de carga. El nuevo proceso se describe en la revista Science Advances, en un art\u00edculo de la estudiante graduada Asmita Jana, la cient\u00edfica investigadora Nicola Ferralis, el profesor Jeffrey Grossman y otros cinco del MIT, el Instituto de Investigaci\u00f3n Occidental en Wyoming y el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee.<\/p>\n\n\n\n
La investigaci\u00f3n comenz\u00f3 hace unos cuatro a\u00f1os en respuesta a una solicitud del Departamento de Energ\u00eda, que buscaba formas de hacer que los autom\u00f3viles fueran m\u00e1s eficientes y reducir el consumo de combustible al reducir su peso total. \u201cSi miras el mismo modelo de autom\u00f3vil ahora, en comparaci\u00f3n con hace 30 a\u00f1os, es significativamente m\u00e1s pesado\u201d, dice Ferralis. \u201cEl peso de los coches ha aumentado m\u00e1s de un 15% dentro de la misma categor\u00eda\u201d.<\/p>\n\n\n\n
Un autom\u00f3vil m\u00e1s pesado requiere un motor m\u00e1s grande, frenos m\u00e1s fuertes, etc., por lo que la reducci\u00f3n del peso de la carrocer\u00eda u otros componentes tiene un efecto domin\u00f3 que produce ahorros de peso adicionales. El DOE est\u00e1 impulsando el desarrollo de materiales estructurales livianos que coincidan con la seguridad de los paneles de acero convencionales de hoy en d\u00eda, pero que tambi\u00e9n se puedan fabricar de manera lo suficientemente econ\u00f3mica como para potencialmente reemplazar el acero por completo en los veh\u00edculos est\u00e1ndar.<\/p>\n\n\n\n
Los compuestos hechos de fibras de carbono no son una idea nueva, pero hasta ahora en el mundo del autom\u00f3vil solo se han utilizado en unos pocos modelos muy caros. La nueva investigaci\u00f3n tiene como objetivo cambiar eso al proporcionar un material de partida de bajo costo y m\u00e9todos de procesamiento relativamente simples.<\/p>\n\n\n\n
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 m\u00e1s”, hasta cientos de d\u00f3lares 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 fluct\u00faan 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 duplicar\u00eda el costo aproximadamente.<\/p>\n\n\n\n
Estas fibras suelen estar hechas de pol\u00edmeros (como el poliacrilonitrilo) derivados del petr\u00f3leo, pero utilizan un costoso paso intermedio de polimerizaci\u00f3n de los compuestos de carbono. El costo del pol\u00edmero puede representar m\u00e1s del 60% del costo total de la fibra final, dice Ferralis. En lugar de utilizar un producto de petr\u00f3leo procesado y refinado para empezar, el nuevo enfoque del equipo utiliza lo que es esencialmente la escoria que queda despu\u00e9s del proceso de refinaci\u00f3n, un material conocido como brea de petr\u00f3leo. “Es lo que a veces llamamos el fondo del barril”, dice Ferralis.<\/p>\n\n\n\n
“El tono es incre\u00edblemente desordenado”, dice. Es una mezcolanza de hidrocarburos pesados \u200b\u200bmixtos, y “eso es realmente lo que lo hace hermoso en cierto modo, porque hay tanta qu\u00edmica que se puede explotar. Eso lo convierte en un material fascinante para empezar”.<\/p>\n\n\n\n
Es in\u00fatil para la combusti\u00f3n, aunque puede quemarse, es un combustible demasiado sucio para ser pr\u00e1ctico, 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 tambi\u00e9n prob\u00f3, es la brea de carb\u00f3n, un material similar que es un subproducto del carb\u00f3n coquizable, que se usa, por ejemplo, para la producci\u00f3n de acero. Ese proceso produce alrededor de un 80% de coque y un 20% de brea de carb\u00f3n, “lo que b\u00e1sicamente es un desperdicio”, dice.<\/p>\n\n\n\n
Trabajando en colaboraci\u00f3n con investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que ten\u00edan la experiencia en la fabricaci\u00f3n de fibras de carbono en una variedad de condiciones, desde escala de laboratorio hasta escala de planta piloto, el equipo se dedic\u00f3 a encontrar formas de predecir el rendimiento con el fin de para guiar la elecci\u00f3n de las condiciones para esos experimentos de fabricaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
“El proceso que se necesita para hacer una fibra de carbono [a partir de brea] es extremadamente m\u00ednimo, tanto en t\u00e9rminos de requisitos de energ\u00eda como en t\u00e9rminos de procesamiento real que se necesita hacer”, dice Ferralis.<\/p>\n\n\n\n
Jana explica que la brea est\u00e1 “hecha de este conjunto heterog\u00e9neo de mol\u00e9culas, donde uno esperar\u00eda que si cambia la forma o el tama\u00f1o las propiedades cambiar\u00edan dram\u00e1ticamente”, mientras que un material industrial necesita tener propiedades muy consistentes.<\/p>\n\n\n\n
Al modelar cuidadosamente las formas en que se forman los enlaces y el entrecruzamiento entre las mol\u00e9culas constituyentes, Jana pudo desarrollar una forma de predecir c\u00f3mo un conjunto determinado de condiciones de procesamiento afectar\u00eda las propiedades de la fibra resultante. “Pudimos reproducir los resultados con una precisi\u00f3n tan sorprendente”, dice, “hasta el punto en que las empresas pudieron tomar esos gr\u00e1ficos y predecir” caracter\u00edsticas como la densidad y el m\u00f3dulo el\u00e1stico de las fibras.<\/p>\n\n\n\n
El trabajo arroj\u00f3 resultados que muestran que al ajustar las condiciones iniciales, se podr\u00edan fabricar fibras de carbono que no solo fueran fuertes en tensi\u00f3n, como lo son la mayor\u00eda de estas fibras, sino tambi\u00e9n fuertes en compresi\u00f3n, lo que significa que podr\u00edan usarse potencialmente en aplicaciones de carga. Esto abre posibilidades completamente nuevas para la utilidad de estos materiales, dicen.<\/p>\n\n\n\n
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 m\u00e9todo puede hacerlo mejor que eso, alcanzando algo as\u00ed como $3 por libra, aunque a\u00fan no han hecho un an\u00e1lisis econ\u00f3mico detallado.<\/p>\n\n\n\n
“La nueva ruta que estamos desarrollando no es solo un efecto de costo”, dice Ferralis. “Podr\u00eda abrir nuevas aplicaciones, y no tiene que ser veh\u00edculos”. Parte de la complicaci\u00f3n de hacer compuestos de fibra convencionales es que las fibras deben convertirse en una tela y colocarse en patrones precisos y detallados. La raz\u00f3n de eso, dice, “es para compensar la falta de resistencia a la compresi\u00f3n”. Es una cuesti\u00f3n de ingenier\u00eda superar las deficiencias del material, dice, pero con el nuevo proceso no ser\u00eda necesaria toda esa complejidad adicional.<\/p>\n\n\n\n
El equipo de investigaci\u00f3n incluy\u00f3 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.<\/p>\n\n\n\n