El hidrógeno siempre ha sido la gran alternativa a los combustibles fósiles y a cualquier sistema eléctrico. Una fuente de energía limpia e inagotable que, lamentablemente, presenta muchas e importantes desventajas que han limitado su adopción. Sin embargo, las mecánicas basadas en el hidrógeno afrontan ahora un nuevo rumbo tras los descubrimientos llevados a cabo por un equipo de científicos australianos. Se abre una nueva vía al uso del hidrógeno para impulsar vehículos y otras aplicaciones mecánicas diferentes.
Hasta la fecha, las pilas de combustible convencionales se veían obligadas a operar estrictamente por debajo del rango de los 80 a 100 grados centígrados. Superar este límite térmico provocaba inevitablemente la evaporación del agua interna del sistema, lo que desencadenaba el colapso inmediato de toda la estructura de transferencia energética. Este estrecho margen, sumado a la extrema volatilidad del hidrógeno, ha sido el factor determinante que ha impedido su implantación masiva.
Para solucionar este inconveniente mecánico crónico, un equipo de investigadores de la Universidad de Monash, en Australia, ha desarrollado una membrana ultrafina capaz de trabajar a una temperatura constante de 250 grados centígrados sin necesidad de utilizar una sola gota de agua. Este avance elimina la dependencia de la humedad en el proceso electroquímico, abriendo las puertas a una nueva generación de motores de hidrógeno mucho más estables, eficientes y ligeros para el transporte pesado y de larga distancia.
Estructura atómica para un transporte de protones sin precedentes
En el plano estrictamente mecánico y de materiales, el secreto de este componente radica en una arquitectura a escala nanométrica ideada por los científicos Huanting Wang y Kaiqiang He. El equipo ha construido unas nanoláminas de espesor atómico empleando una combinación de grafeno y nitruro de boro. Entre estas capas ultradelgadas se ha introducido ácido fosfórico en un estado denominado nanoconfinado, lo que significa que el compuesto químico queda atrapado en cavidades tan microscópicas que resulta imposible que se evapore o se escape, incluso bajo temperaturas extremas de 250 grados centígrados.
El funcionamiento interno se basa en un mecanismo sinérgico que permite prescindir del agua para la conductividad. Los protones atraviesan de forma directa los anillos hexagonales que dan forma a la estructura del grafeno y del nitruro de boro. Al mismo tiempo, estos protones aprovechan para saltar a gran velocidad a lo largo de la red de enlaces de hidrógeno que conforma el ácido fosfórico confinado entre las subcapas. Durante las fases de validación técnica, los ingenieros han mantenido el sistema operando durante 150 horas consecutivas a la temperatura máxima fijada sin registrar ningún tipo de degradación en los materiales ni caídas en el rendimiento de los flujos eléctricos.
Ventajas mecánicas y posibles
La posibilidad de elevar de forma segura el termómetro de la pila hasta los 250 grados centígrados aporta tres ventajas cruciales para el diseño de futuros vehículos:
- Tolerancia a las impurezas: a esa temperatura tan elevada, el catalizador de platino de la pila tolera mucho mejor la presencia de monóxido de carbono, permitiendo utilizar un hidrógeno menos puro y más barato de producir.
- Simplificación del sistema de refrigeración: al disiparse el calor de una manera más eficiente por el salto térmico, los radiadores necesarios pueden ser notablemente más pequeños.
- Aligeramiento del chasis: la reducción del tamaño de los componentes periféricos de refrigeración se traduce en vehículos más livianos y con mayor capacidad de carga útil.
Los creadores de esta membrana no han limitado las pruebas al hidrógeno convencional. El componente mecánico también fue sometido a ensayos en pilas de metanol directo, registrando un rendimiento de 502 mW cm⁻² utilizando metanol concentrado 16 M a 250 grados centígrados, lo que demuestra su versatilidad con diferentes combustibles densos. De cara al futuro industrial, el gran reto será trasladar esta tecnología de laboratorio a una cadena de producción a gran escala. Si la fabricación resulta viable, estas mecánicas facilitarán la descarbonización de sectores complejos como los trenes, los aviones y el transporte marítimo de mercancías.