Una receta de combustible cero emisiones: latas de refresco, agua de mar y cafeína

En un estudio publicado en la revista Cell Reports Physical Science, los investigadores demuestran que pueden producir hidrógeno gaseoso dejando caer gránulos de aluminio pretratados del tamaño de guijarros en un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. El aluminio se pretrata con una aleación de metales raros que lo convierte en una sustancia pura capaz de reaccionar con el agua de mar para generar hidrógeno. A su vez, los iones salinos del agua de mar pueden atraer y recuperar la aleación, que puede reutilizarse para generar más hidrógeno, en un ciclo sostenible.

El equipo descubrió que esta reacción entre el aluminio y el agua de mar produce gas hidrógeno con éxito, aunque lentamente. Para su sorpresa, añadieron a la mezcla posos de café y comprobaron que la reacción se aceleraba.

Al final, el equipo descubrió que una baja concentración de imidazol -un ingrediente activo de la cafeína- basta para acelerar significativamente la reacción, produciendo la misma cantidad de hidrógeno en sólo cinco minutos, frente a las dos horas sin el estimulante añadido.

Los investigadores están desarrollando un pequeño reactor que podría funcionar en una embarcación o vehículo submarino. La embarcación contendría un suministro de gránulos de aluminio (reciclados de latas de refresco viejas y otros productos de aluminio), junto con una pequeña cantidad de galio-indio y cafeína. Estos ingredientes podrían introducirse periódicamente en el reactor, junto con parte del agua de mar circundante, para producir hidrógeno a demanda. El hidrógeno podría alimentar un motor de a bordo o generar electricidad para propulsar el barco.

"Esto es muy interesante para aplicaciones marítimas como barcos o vehículos submarinos, porque no habría que transportar agua de mar, ya que está disponible", explica el autor principal del estudio, Aly Kombargi, estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Tampoco tenemos que transportar un depósito de hidrógeno. En su lugar, transportaríamos aluminio como 'combustible', y bastaría con añadir agua para producir el hidrógeno que necesitamos."

Entre los coautores del estudio figuran Enoch Ellis, estudiante de ingeniería química; Peter Godart PhD '21, que ha fundado una empresa para reciclar aluminio como fuente de combustible de hidrógeno; y Douglas Hart, profesor de ingeniería mecánica del MIT.

Escudos

El equipo del MIT, dirigido por Hart, está desarrollando métodos eficientes y sostenibles para producir gas hidrógeno, que se considera una fuente de energía "verde" que podría alimentar motores y pilas de combustible sin generar emisiones que calienten el clima.

Uno de los inconvenientes de los vehículos de hidrógeno es que, en algunos diseños, el gas debe transportarse a bordo como la gasolina tradicional en un depósito, lo que supone un riesgo dado el potencial volátil del hidrógeno. Hart y su equipo han buscado formas de alimentar los vehículos con hidrógeno sin tener que transportar constantemente el gas.

Encontraron una posible solución en el aluminio, un material natural abundante y estable que, en contacto con el agua, experimenta una sencilla reacción química que genera hidrógeno y calor.

Sin embargo, la reacción tiene un inconveniente: aunque el aluminio puede generar hidrógeno al mezclarse con el agua, sólo puede hacerlo en estado puro y expuesto. En cuanto el aluminio entra en contacto con el oxígeno, por ejemplo en el aire, la superficie forma inmediatamente una fina capa de óxido que impide nuevas reacciones. Esta barrera es la razón por la que el hidrógeno no burbujea inmediatamente cuando se deja caer una lata de refresco en el agua.

En trabajos anteriores, con agua dulce, el equipo descubrió que podía traspasar el escudo del aluminio y mantener la reacción con el agua pretratando el aluminio con una pequeña cantidad de una aleación de metales raros hecha con una concentración específica de galio e indio. La aleación actúa como "activador", eliminando cualquier acumulación de óxido y creando una superficie de aluminio puro libre para reaccionar con el agua. Cuando llevaron a cabo la reacción en agua fresca desionizada, descubrieron que un gránulo de aluminio pretratado producía 400 mililitros de hidrógeno en sólo cinco minutos. Calculan que un gramo de gránulos generaría 1,3 litros de hidrógeno en el mismo tiempo.

Pero para ampliar el sistema se necesitaría un importante suministro de galio-indio, que es relativamente caro y escaso.

"Para que esta idea fuera rentable y sostenible, teníamos que trabajar en la recuperación de esta aleación después de la reacción", afirma Kombargi.

Por el mar

En el nuevo trabajo del equipo, descubrieron que podían recuperar y reutilizar el indio galio utilizando una solución de iones. Los iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) protegen la aleación metálica de la reacción con el agua y ayudan a que precipite en una forma que puede recogerse y reutilizarse.

"Por suerte para nosotros, el agua de mar es una solución iónica muy barata y disponible", dice Kombargi, que probó la idea con agua de mar de una playa cercana. "Fui literalmente a Revere Beach con un amigo y cogimos nuestras botellas y las llenamos, y luego simplemente filtré las algas y la arena, le añadí aluminio, y funcionó con los mismos resultados consistentes".

Descubrió que, efectivamente, el hidrógeno burbujeaba cuando añadía aluminio a un vaso de precipitados de agua de mar filtrada. Y después pudo extraer el indio galio. Pero la reacción se producía mucho más lentamente que en agua dulce. Resulta que los iones del agua de mar actúan como escudo del indio de galio, de modo que puede unirse y recuperarse después de la reacción. Pero los iones tienen un efecto similar sobre el aluminio, creando una barrera que ralentiza su reacción con el agua.

Mientras buscaban formas de acelerar la reacción en el agua de mar, los investigadores probaron ingredientes diversos y poco convencionales.

"Estábamos jugando con cosas en la cocina y descubrimos que cuando añadíamos posos de café al agua de mar y echábamos gránulos de aluminio dentro, la reacción era bastante rápida en comparación con el agua de mar", explica Kombargi.

Para ver qué podía explicar esta aceleración, el equipo se puso en contacto con colegas del departamento de química del MIT, que les sugirieron que probaran con el imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, que tiene una estructura molecular capaz de atravesar el aluminio (permitiendo que el material siga reaccionando con el agua) y dejar intacto el escudo iónico del galio-indio.

"Esa fue nuestra gran victoria", afirma Kombargi. "Teníamos todo lo que queríamos: recuperar el indio de galio, además de una reacción rápida y eficaz".

Los investigadores creen que tienen los ingredientes esenciales para hacer funcionar un reactor de hidrógeno sostenible. Planean probarlo primero en vehículos marinos y submarinos. Han calculado que un reactor de este tipo, con unos 18 kilos de pastillas de aluminio, podría alimentar un pequeño planeador submarino durante unos 30 días bombeando el agua de mar circundante y generando hidrógeno para alimentar un motor.

"Estamos mostrando una nueva forma de producir hidrógeno combustible, sin llevar hidrógeno pero llevando aluminio como 'combustible'", afirma Kombargi. "La siguiente parte es averiguar cómo utilizar esto para camiones, trenes y quizá aviones. Quizá, en lugar de tener que transportar agua, podríamos extraer agua de la humedad ambiental para producir hidrógeno. Eso está más adelante".