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Tecnología Usa Sodio Líquido y Aire, Triplica la Densidad Energética de las Baterías Actuales y Elimina Emisiones de Carbono.
La búsqueda de fuentes de energía más eficientes y sostenibles acaba de ganar un avance importante. Investigadores del MIT han desarrollado una celda de combustible de sodio que puede no solo alimentar aviones eléctricos, sino también capturar carbono de la atmósfera.
Utilizando sodio líquido y aire ambiental, el sistema ofrece una densidad energética hasta tres veces mayor que las baterías de iones de litio actuales, además de eliminar las emisiones de dióxido de carbono.
Desafío de las Baterías Actuales en el Transporte Pesado
Las baterías tradicionales están cerca de alcanzar su límite en la cantidad de energía que pueden almacenar en relación al peso.
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Esto crea una dificultad para el avance del transporte eléctrico en sectores de alto consumo de energía, como aviación, trenes y barcos.
La nueva celda de combustible de sodio, desarrollada por un equipo de investigadores del MIT y colaboradores, surge como una solución a este desafío.
A diferencia de las baterías convencionales, esta celda de combustible genera electricidad mediante reacciones químicas, pero con la ventaja de ser recargada rápidamente, sin la necesidad de largos períodos de recarga.
El sodio metálico líquido, material abundante y económico, es la base del sistema, que utiliza el aire común como el segundo elemento necesario para la reacción.
Resultados Impresionantes en Pruebas de Laboratorio
En las pruebas iniciales, el prototipo de la celda de combustible de sodio-aire presentó un rendimiento sorprendente. Almacenó más de tres veces más energía por kilo que las actuales baterías de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos.
Los hallazgos fueron publicados el 27 de mayo en la revista Joule por los doctorandos Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, y por el profesor Yet-Ming Chiang y colegas.
Según Chiang, esta nueva tecnología puede ser revolucionaria, especialmente en la aviación, donde el peso es un factor crucial.
Para vuelos regionales, que representan la mayoría de los viajes domésticos y alrededor del 30% de las emisiones de la aviación, la densidad energética de 1.000 watts-hora por kilo sería suficiente. Las baterías actuales de iones de litio alcanzan alrededor de 300 watts-hora por kilo.
Potencial para el Transporte Marítimo y Ferroviario
Además de la aviación, la celda de combustible de sodio-aire también tiene potencial para el transporte marítimo y ferroviario.
Estos sectores demandan alta densidad energética y bajo costo, características que el nuevo sistema puede ofrecer.
La elección del sodio metálico se debió precisamente a ser un material de fácil obtención y con amplia disponibilidad.
Diferencia Fundamental: Celda de Combustible en Lugar de Batería
Durante décadas, los científicos han buscado desarrollar baterías de litio-aire y sodio-aire, pero han encontrado dificultad en hacerlas recargables de manera eficiente.
La innovación del MIT está en la aplicación del concepto como celda de combustible, y no como batería tradicional.
En una celda de combustible, los materiales energéticos entran y salen del sistema durante el funcionamiento, a diferencia de las baterías selladas.
Prototipos con Proyectos Funcionales
El equipo desarrolló dos prototipos de laboratorio. El primero, llamado celda H, utiliza dos tubos de vidrio verticales conectados por un tubo central que contiene el electrólito cerámico sólido y un electrodo de aire poroso.
El sodio metálico líquido llena uno de los tubos, mientras que el aire circula por el otro, proporcionando oxígeno para la reacción.
El segundo prototipo utiliza un diseño horizontal, con una bandeja de electrólito cerámico que recibe el sodio metálico líquido. El electrodo de aire poroso se fija en la parte inferior de la bandeja, facilitando la reacción.
Durante las pruebas, con un flujo de aire con humedad controlada, el sistema alcanzó niveles de hasta 1.500 watts-hora por kilo en la reacción localizada, lo que indicaría más de 1.000 watts-hora por kilo a escala total.
Emisiones Neutras de Carbono y Captura de CO2
Además de no emitir dióxido de carbono, la celda de combustible del MIT tiene una ventaja adicional: captura CO2 de la atmósfera.
El subproducto de la reacción del sodio con el aire genera óxido de sodio, que rápidamente se transforma en hidróxido de sodio al contacto con la humedad.
El hidróxido, a su vez, reacciona con el dióxido de carbono para formar bicarbonato de sodio, el conocido bicarbonato de uso doméstico.
Chiang destaca que el proceso ocurre de forma espontánea durante el funcionamiento de la celda. Además, si el bicarbonato de sodio se descarta en el océano, puede ayudar a neutralizar la acidez del agua, contribuyendo a la mitigación de otro impacto del calentamiento global.
Beneficio Ambiental Sin Costo Adicional
El uso de hidróxido de sodio para capturar CO2 ya había sido propuesto anteriormente, pero siempre con costos altos de producción. En el nuevo sistema, el hidróxido surge naturalmente como subproducto de la celda de combustible, lo que elimina el costo del proceso de captura.
Seguridad Mayor Que las Baterías Convencionales
Otro punto importante destacado por Chiang es la seguridad del sistema. Aunque el sodio metálico es altamente reactivo, el diseño de la celda de combustible mantiene los reactivos separados. Como de un lado solo hay aire, no hay riesgo de reacción descontrolada en caso de fuga, a diferencia de las baterías de alta densidad energética donde ambos reactivos están en contacto cercano.
A pesar de que aún existe solo a escala de laboratorio, el sistema fue diseñado para ser fácilmente ampliado. El equipo de investigación ya creó la startup Propel Aero, ubicada en la incubadora del MIT, para desarrollar la tecnología comercialmente.
La viabilidad de producción del sodio metálico también fue considerada. En el pasado, los Estados Unidos ya produjeron 200 mil toneladas de sodio metálico por año, principalmente para la fabricación de aditivos para gasolina con plomo. Como el sodio proviene de la sal, su abundancia y amplia distribución mundial facilitan la extracción y utilización.
Cartuchos Recargables para Reabastecimiento Práctico
El sistema propuesto prevé el uso de cartuchos recargables que contienen sodio metálico líquido. Estos cartuchos serían recargados en estaciones especiales, derritiendo el sodio a temperaturas cercanas a los 98°C, poco debajo del punto de ebullición del agua, facilitando el proceso.
El primer paso comercial debe ser la construcción de una celda de combustible del tamaño de un ladrillo, con capacidad de proporcionar alrededor de 1.000 watts-hora. Esto sería suficiente para alimentar grandes drones agrícolas, sirviendo como prueba de concepto práctico. El equipo espera realizar esta prueba ya el próximo año.
Importancia de la Humedad en el Proceso
Karen Sugano, responsable de buena parte de los experimentos, identificó que la humedad del aire fue crucial para el funcionamiento eficiente de la celda. Pruebas con aire seco y con aire húmedo mostraron que, bajo humedad controlada, los subproductos de la reacción permanecen líquidos, lo que facilita su eliminación por el flujo de aire.
Según Saahir Ganti-Agrawal, el proyecto es resultado de la unión de diversas investigaciones en áreas como celdas de combustible, baterías de alta temperatura y sistemas de sodio-aire. Esta combinación de conocimientos llevó al expresivo aumento de rendimiento alcanzado por el equipo.
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