Nuevos materiales en el espacio




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Zeolitas


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6. Estructura molecular de una zeolita. Foto: NASA
edro Duque durante su estancia en la Estación Espacial Internacional (ISS) realizó un experimento, el NANOSLAB, centrado en las zeolitas (ver foto 7). Las zeolitas son sólidos de estructura cristalina, de aspecto arenoso y llenos de poros microscópicos. Son como esponjas moleculares. En su forma cristalina, las zeolitas están constituidas por una red de túneles y celdas interconectadas, de forma similar a un panal de miel (ver figura 6). En la naturaleza se encuentran cerca de 50 tipos de zeolitas, que son un recurso minero muy apreciado, con diferentes composiciones químicas y estructuras cristalinas. Cualquiera que tenga un gato ha visto alguna: actúan como absorbentes del olor en las cajas para gatos. Pero además los químicos sintetizan en el laboratorio distintas clases de ellas porque tienen múltiples aplicaciones –por ejemplo como catalizadores– según sea el tamaño de sus poros. El nombre de zeolita procede de las palabras griegas "zeo" (hervir) y "litos" (piedra), literalmente significa "las rocas que hierven". Esto es debido a que las zeolitas liberan sus contenidos cuando son calentadas. En esta ocasión Duque realizó un experimento que trata de analizar el proceso de formación de las zeolitas a partir de dos materiales separados, hidróxido de amonio, NH4OH y silicato de aluminio, Al2(SO4)3.

Las zeolitas pueden tener una importante aplicación en un futuro próximo, podrán absorber hidrógeno, H2, que será empleado como combustible para los coches.

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7. Pedro Duque realizando un experimento con el instrumental de "ingravidez" en el laboratorio Columbus de la ISS durante la Misión Cervantes. Foto: ESA
magínese deteniéndose en una estación de servicio, introduciendo la pistola del surtidor de combustible en el depósito y que el combustible que fluye dentro de él es hidrógeno. Es incoloro, inodoro y el residuo de la combustión del hidrógeno es vapor de agua, absorbida de forma rápida y segura por el medio ambiente y sin la emisión de dióxido de carbono, CO2, causante del calentamiento de la Tierra debido al efecto invernadero. Un kilogramo de hidrógeno proporciona tres veces más energía que un kilogramo de gasolina. Y puede obtenerse del agua del mar. Recordemos que una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O, por tanto el 11 % del agua del mar es hidrógeno. No es de extrañar que los científicos estén buscando la manera de hacer del hidrógeno un combustible práctico.

Docenas de empresas, incluyendo a todos los mayores fabricantes de automóviles, han diseñado motores que queman hidrógeno, que son muy semejantes a los motores de combustión interna que tenemos actualmente en los coches. Las celdas de combustible –otra posible fuente de energía para los coches– también emplean hidrógeno. Para hacer que estas tecnologías funcionen en el mundo real, los científicos deben encontrar la manera de almacenar y transportar hidrógeno de forma segura y a un costo comparable al de la gasolina.

No es fácil: el hidrógeno gaseoso es ligero y volátil. Las pequeñas moléculas de H2 pueden pasar a través de las fisuras y uniones, y dispersarse rápidamente. El hidrógeno se difunde a una velocidad cuatro veces mayor que el gas metano y diez veces mayor que los vapores de gasolina. Esto es importante para la seguridad porque una fuga se diluye rápidamente y puede parecer inocua. Para cualquiera que desee almacenar el gas esto es una continua preocupación.

El hidrógeno líquido es más compacto y fácil de contener, pero también puede resultar problemático. El hidrógeno se licua a una temperatura aproximada de 20 K (–253 oC). Mantener un depósito de combustible de hidrógeno líquido requiere el apoyo de un potente sistema criogénico, que puede no ser práctico para coches. El hidrógeno líquido es lo suficientemente frío como para congelar el aire. Esto podría causar que las válvulas se tapen y que esto genere un incremento inaceptable de la presión. El material aislante para prevenir estos problemas se agrega al peso del sistema de almacenamiento.

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8. Pedro Duque realizando un experimento en la misión STS 95 del Transbordador Espacial norteamericano Discovery en condiciones de caída libre. Foto: NASA
Cómo podemos superar estos obstáculos? Es fácil: usando zeolitas. Un tanque de combustible diseñado con zeolitas debe ser capaz de atrapar y de retener el gas hidrógeno en un estado casi líquido, sin una potente criogenia. Un depósito de combustible de zeolitas de temperatura controlada puede funcionar agregando iones cargados negativamente a la zeolita. Estos iones actúan como tapones, justo como los tapones de un frasco de tinta; bloqueando los poros de la zeolita cristalina. Mediante el ligero calentamiento del depósito pueden hacerse salir los iones de los poros. Luego se puede llenar la zeolita con hidrógeno. Finalmente disminuyendo la temperatura al nivel normal los iones se deslizarán a sus lugares y sellarán las salidas.

Las zeolitas que existen ahora pueden almacenar una cierta cantidad de hidrógeno, pero no la suficiente. Las mejores zeolitas existentes tienen capacidad para el hidrógeno sólo para un 2% o un 3% de su peso. Si se obtuvieran cristales de zeolita que almacenasen del 6% al 7% de su propio peso en hidrógeno, un depósito de zeolita lleno de hidrógeno podría ser competitivo frente a un depósito ordinario lleno de gasolina. Así se podría disponer de un depósito de zeolita de unos 42 kg de peso que se llenaría con unos 3 kg de hidrógeno y sería equivalente a un depósito de gasolina actual.

En ambientes de muy baja gravedad, los materiales se juntan más lentamente, permitiendo que los cristales de zeolita en formación sean más grandes y más regulares (ver foto 9). Los cristales de zeolita producidos en la Tierra son pequeños, aproximadamente de 2 a 8 micrones de diámetro –cerca de una décima parte del diámetro de un cabello humano–. Los experimentos realizados en el Transbordador Espacial y en la ISS permitieron sintetizar zeolitas 10 veces mayores y mejor organizadas internamente.

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9. Cristales de zeolita cultivados en la Tierra (arriba) y a bordo del Transbordador Espacial Columbia en 1995 (abajo). Foto: NASA
l objetivo de los experimentos en los laboratorios espaciales no es la producción en masa de cristales de zeolita ya que no es económico, sino averiguar si es posible cultivar cristales de zeolita que puedan alcanzar el umbral del 7%. Si es así en el espacio también se descubrirá la manera de sintetizar estas zeolitas en Tierra. Por tanto las zeolitas pueden ser la clave del salto tecnológico hacia el combustible de hidrógeno permitiendo la progresiva reducción de la dependencia de combustibles fósiles que tendrá claros beneficios medioambientales: la reducción del efecto invernadero.
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