El misterio de la protección catódica contra la corrosión aclarado

La corrosión es una reacción química de la que son víctimas incluso las estructuras más resistentes. Metales como el acero reaccionan con el oxígeno y el agua, oxidándose y descomponiéndose. La protección catódica desempeña un papel clave en la lucha contra la corrosión. Protege las estructuras de acero ralentizando o impidiendo los procesos que conducen a la corrosión.

La protección catódica se describió por primera vez en un contexto científico en Inglaterra hace dos siglos y desde entonces ha desempeñado un valioso papel en el mantenimiento de infraestructuras modernas como gasoductos enterrados y estructuras de hormigón armado. "Sin embargo, a pesar de su uso generalizado, el principio de funcionamiento subyacente a la protección catódica ha seguido siendo poco claro y controvertido", afirma Ueli Angst, catedrático de Durabilidad de los Materiales de la ETH de Zúrich.

Un equipo de investigadores dirigido por Angst ha logrado avances significativos en la aclaración del principio subyacente, sobre todo en el caso del acero en medios porosos como el suelo o el hormigón.

Su estudio, publicado en la revista Communications Materials de la cartera Nature, arroja luz sobre los complejos procesos que intervienen en la protección catódica contra la corrosión en la interfaz entre el metal y el medio poroso. Para ilustrar la interacción, merece la pena echar un vistazo a la historia del método.

Dos siglos de desarrollo tecnológico

La protección catódica contra la corrosión se remonta al químico e inventor británico Sir Humphry Davy, que describió el principio hace algo más de doscientos años. Por aquel entonces, la Marina Real Británica se enfrentaba a un problema: había revestido los cascos de madera de sus barcos con láminas de cobre para evitar que se ensuciaran y se pudrieran, pero los cascos de cobre se atacaban rápidamente y sufrían corrosión en el agua salada del mar. Sir Humphry Davy, a la sazón Presidente de la Royal Society, emprendió la búsqueda de una solución en nombre de la ciencia.

En el norte de Italia, Luigi Galvani y Alessandro Volta habían descubierto recientemente el fenómeno de la corriente eléctrica que fluye cuando se unen diferentes metales preciosos. Inspirado por ello, Davy pudo demostrar en el laboratorio que pequeñas muestras de metales comunes como el zinc o el hierro pueden proteger de la corrosión a planchas de cobre relativamente grandes, concretamente actuando como ánodo de sacrificio y corroyéndose ellas mismas.

En 1824, la Royal Navy trasladó la técnica de Davy casi directamente del laboratorio a toda su flota, con demasiada precipitación. Aunque los cascos de cobre estaban ahora protegidos contra la corrosión, perdieron su eficacia contra las incrustaciones marinas: los barcos se volvieron cada vez más pesados y apenas maniobrables. La Royal Navy tuvo que retirar de nuevo la protección catódica contra la corrosión, y el episodio de Davy pasó a la historia como una importante lección sobre el fracaso debido a la transferencia prematura de conocimientos a la práctica.

"Hoy sabemos que la corriente de protección catódica tiene el efecto secundario de favorecer la deposición de minerales sobre el metal, lo que permite el crecimiento de mejillones y otros organismos marinos", afirma Angst. A pesar del fracaso de hace dos siglos, el trabajo de Davy sentó las bases de aplicaciones posteriores.

Dos hipótesis sobre su funcionamiento

Sin embargo, tuvieron que pasar otros cien años aproximadamente para que Robert James Kuhn recuperara la tecnología en Estados Unidos, esta vez para hacer duraderas las tuberías enterradas. Las notas de Kuhn demuestran que ya en los años veinte conocía mucho mejor los procesos de corrosión que en la época de Davy. Kuhn también llevó a cabo extensas series de pruebas "sobre el terreno", es decir, en condiciones reales.

Desde entonces, la tecnología se ha convertido en un método estándar de protección contra la corrosión y hoy garantiza que las tuberías de agua y gas, los depósitos y los barcos, así como los puentes y los aparcamientos, tengan una vida más larga y libre de corrosión.

Sin embargo, a pesar de su uso generalizado en la práctica de la ingeniería, los mecanismos de acción subyacentes de la protección catódica contra la corrosión siguen siendo objeto de polémicos debates.

Durante décadas, ha habido dos teorías opuestas: una es la opinión de que la corriente de protección influye directamente en la velocidad de corrosión a través de un mecanismo puramente cinético, y la otra es que conduce a un aumento del valor del pH en el medio en la interfaz, lo que protege al acero de la corrosión - una idea postulada por primera vez por Kuhn ya en 1928.

Según Angst, la falta de una comprensión científica coherente obstaculiza el desarrollo de prácticas de ingeniería sólidas. Un ejemplo es el criterio de protección postulado por Kuhn en los años 20, que aún se utiliza en las normas actuales y exige un potencial de -850 milivoltios en relación con el electrodo de sulfato de cobre saturado: "Se trata de un criterio empírico", afirma Angst.

El estado incoherente de los conocimientos significa también que las normas son contradictorias y en la práctica no siempre es posible cumplir al mismo tiempo todas las especificaciones normativas pertinentes. "Se trata de un grave problema en ingeniería y es tanto más preocupante cuanto que la protección catódica puede considerarse una tecnología clave para afrontar el reto del envejecimiento de las infraestructuras y se utiliza en sistemas relevantes para la seguridad, como los gasoductos de alta presión", prosigue Angst.

Un mecanismo de trabajo unificador

Para su estudio, los investigadores de la ETH se centraron en la interfaz entre el acero y el electrolito y caracterizaron con detalle los cambios espaciales y temporales.

Por primera vez, pudieron demostrar la formación de una fina película de óxido metálico en la superficie del acero y demostrar que esta capa es el resultado directo del aumento del pH debido a los procesos electroquímicos que tienen lugar.

Federico Martinelli-Orlando, primer autor del estudio, añade: "También pudimos demostrar que estos cambios químicos en la superficie del acero y en el electrolito provocan cambios en la velocidad y progresión de las reacciones anódicas y catódicas".

Los investigadores proponen un mecanismo de acción que resuelve las aparentes contradicciones entre las hipótesis anteriores y aúna ambas teorías de forma complementaria.

"Llegamos a la conclusión de que debemos considerar las dos teorías debatidas como complementarias en lugar de contradictorias para explicar plenamente el mecanismo de funcionamiento de la protección catódica", afirma Martinelli-Orlando.

A partir de las mediciones realizadas, los investigadores han desarrollado un modelo mecanicista que tiene en cuenta todos los procesos electroquímicos.

Normas coherentes

Los conocimientos coherentes adquiridos pueden ayudar a mejorar las tecnologías de protección contra la corrosión y a explotar infraestructuras críticas basadas en el acero de forma segura, económica y respetuosa con el medio ambiente.

Posteriormente, los resultados pueden "validar" los conceptos empíricos existentes y constituir la base de enfoques coherentes, por ejemplo, para desarrollar criterios estándar bien fundados sobre la eficacia de la protección catódica contra la corrosión.

Las tecnologías de protección contra la corrosión con respaldo científico desempeñan actualmente un papel importante, sobre todo en el contexto del envejecimiento de las infraestructuras, ya que pueden retrasar o evitar la sustitución de estructuras antiguas. "Si evitamos el desmantelamiento y la sustitución innecesarios de estructuras, en última instancia esto también beneficia al medio ambiente", afirma Angst.