En el punto de mira de los rayos X: nuevos materiales para la transición energética

Para el proceso, los investigadores dirigidos por el primer autor Konstantin Glazyrin utilizaron principalmente las líneas de luz P02.2 y P61.2 de la fuente de rayos X PETRA III de DESY, especializada en ciencia en condiciones extremas. Allí cargaron muestras de polvo de diversas aleaciones en una Diamond Anvil Cell (DAC) y las expusieron a hidrógeno a alta presión, que se introdujo utilizando un cargador de gas. A continuación, utilizaron la difracción de polvo para observar con precisión las interacciones. En otras palabras, Glazyrin utilizó los rayos X de alta brillantez de PETRA III para analizar los cambios estructurales más pequeños en la muestra de material policristalino; éstos pudieron caracterizarse utilizando los patrones de difracción de los haces.

El equipo eligió aleaciones de alta entropía para su estudio piloto, caracterizando la llamada aleación Cantor, compuesta por cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel, así como dos aleaciones del grupo del platino, que contienen iridio, osmio y rutenio, entre otros. Las aleaciones Cantor se consideran materiales prometedores para el almacenamiento de hidrógeno en el sector energético si en los próximos años se pretende sustituir combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón por hidrógeno. En cuanto a las aleaciones basadas en elementos del grupo del platino, son igualmente importantes para aplicaciones catalíticas, por ejemplo, la producción de hidrógeno a partir de la división del agua.

Las aleaciones de alta entropía son compuestos formados por al menos cinco elementos cuya estructura es muy diversa - "desordenada", por así decirlo- a nivel atómico. En este caso, el término "entropía" se refiere al grado de desorden de un sistema. En los últimos años, los científicos de materiales han reconocido cada vez más que las aleaciones metálicas de alta entropía y también las cerámicas son en muchos aspectos más eficientes que las mezclas convencionales de menos elementos. Sólo con al menos cinco elementos distribuidos homogéneamente en el material éste se caracterizaría como una aleación de alta entropía. A nivel atómico, en términos de desorden, estas aleaciones son más complejas que, por ejemplo, el acero inoxidable convencional, que es una aleación de hierro, carbono y cromo.

"En estas aleaciones, el efecto de la entropía empieza a jugar un papel a nivel microscópico", explica Konstantin Glazyrin. "El entorno local de cada átomo se complica por átomos de otros tipos y su distribución aleatoria dentro del material. Nuestros resultados sugieren que, en los sistemas estudiados, la densidad electrónica resultante está correlacionada con las nanotensiones inducidas por el desorden atómico. Esto dificulta que los átomos de hidrógeno se difundan en el material y lo transformen en hidruros, que es el primer paso de la corrosión". La corrosión por hidrógeno -que es muy similar a la oxidación de los metales por contacto con el agua y el oxígeno- hace que el material sea menos duradero con el paso del tiempo.

Por ello, Glazyrin ha investigado cómo se comportan las aleaciones Cantor y del grupo del platino en comparación con el acero convencional y las aleaciones de cobre berilio cuando entran en contacto intenso y prolongado con el hidrógeno. El cobre berilio se utiliza a menudo en la industria del hidrógeno. Es químicamente muy resistente y no produce chispas, lo que, por supuesto, es una ventaja cuando se trata de hidrógeno altamente inflamable. "Sin embargo, los compuestos de berilio suelen considerarse tóxicos y, por tanto, son difíciles de reciclar", señala Glazyrin. Sólo por esta razón, son preferibles los materiales alternativos".

Las nuevas aleaciones no son tóxicas, son fáciles de reciclar y en las pruebas demostraron ser significativamente menos susceptibles a la corrosión por hidrógeno a temperatura ambiente y presión elevada. "Esta ventaja es difícil de cuantificar porque depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento", admite Glazyrin. "En este estudio piloto no pudimos investigar todas las condiciones posibles". Sin embargo, el estudio podría inspirar a otros grupos para realizar mediciones más exhaustivas y especializadas. Teniendo en cuenta el amplio campo de la economía del hidrógeno, el estudio muestra un gran potencial de los compuestos de alta entropía para aplicaciones de la vida real. La aleación Cantor, junto con otras aleaciones de alta entropía, podría ser útil; por ejemplo, en forma de recubrimiento para sistemas en los que se produce, transporta o almacena hidrógeno. "Al igual que ocurre con los componentes del motor y los sistemas de combustible de nuestros coches", afirma Glazyrin, "para nosotros debería ser importante que estos sistemas duraran el mayor tiempo posible, no sólo por razones de coste, sino también medioambientales."

Hasta ahora no se sabe mucho sobre las aleaciones de alta entropía y sus propiedades. Sólo se investigan desde hace 20 años, y poco a poco vamos descubriendo todo su potencial y adaptando los procesos industriales para optimizar su viabilidad económica. Sin embargo, como los nuevos avances son capaces de acelerar la investigación aplicada en los campos que no se tuvieron en cuenta en el momento del descubrimiento original, los nuevos métodos de ensayo, similares a los presentados en el trabajo de Glazyrin et al. también pueden suponer un impulso. "Nuestro desarrollo metodológico acorta los primeros pasos de la caracterización de materiales de semanas a días, si no a horas". ¿Es su nuevo material resistente al hidrógeno? Podemos darle una respuesta rápida", afirma Glazyrin. La nueva metodología también debería ser más segura que las cámaras de presión convencionales de gran volumen, e incluso cantidades minúsculas de muestras de material son suficientes para obtener resultados significativos. Dependiendo de la tarea, estos factores podrían hacer que el proceso fuera considerablemente más rentable que los ensayos convencionales de materiales comparables.

"También está la perspectiva a largo plazo", añade Hanns-Peter Liermann, científico responsable de la línea de luz P02.2 de PETRA III. "Aparte de la economía del hidrógeno, el gobierno alemán está invirtiendo actualmente muchos recursos en la investigación para la producción de energía por fusión nuclear, porque las fuentes de energía renovables, como el viento, el sol y el agua, no siempre están disponibles y requieren un suministro de energía de reserva, y la fusión nuclear podría ser una fuente de este tipo en el futuro." En la fusión nuclear, la fusión del hidrógeno en helio libera energía, un proceso que también tiene lugar en el interior del sol. A diferencia de la fisión nuclear en las centrales nucleares, tampoco produce apenas residuos altamente radiactivos. Sin embargo, requiere mucho hidrógeno, que se transforma en condiciones de presión y temperatura enormes. Y los nuevos materiales del^siglo XXI, incluidos los compuestos de alta entropía, también son interesantes para este fin, por ejemplo, para revestir los reactores. Para probar estos materiales necesitamos instalaciones e instrumentos capaces de simular las condiciones extremas, así como los efectos resultantes, por ejemplo, en las paredes de un reactor de fusión: "Junto con la actualización propuesta de PETRA III a PETRA IV en los próximos años", afirma Liermann, "estamos planificando una línea de luz para condiciones extremas que también pueda utilizarse para el estudio in situ de los posibles materiales de las paredes de los reactores." Entonces será posible realizar experimentos específicos para desarrollar la tecnología de los reactores de fusión.

En cualquier caso, el nuevo método desarrollado por Glazyrin et al. tiene un gran potencial para acelerar la búsqueda sistemática de nuevos materiales resistentes al hidrógeno. Supone un complemento a los esfuerzos que se están realizando para lograr una mayor eficiencia en las aplicaciones de la economía del hidrógeno. Los resultados iniciales sobre aleaciones individuales de alta entropía podrían ser el primer paso hacia un desarrollo más avanzado, pero aún queda mucho por hacer. "Con nuestra investigación básica, estamos creando la base y el punto de partida para nuevos descubrimientos y aplicaciones", afirma Glazyrin. "Trabajamos sin descanso en la mejora de las pruebas y la infraestructura auxiliar. Nuestro estudio es un esfuerzo internacional y puede interesar a posibles socios de la acdemia y la industria."