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Es lo que es

La NASA está probando una batería de grafeno que podría cambiar las reglas del juego para la aviación y los vehículos eléctricos

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Vía Fast Company

La NASA sabe que nuestra civilización tiene un gran problema: tenemos que luchar contra el cambio climático mientras satisfacemos nuestra necesidad de transporte barato y fácil por tierra, mar y aire. Eso significa que necesitamos electrificar automóviles, barcos y aviones, una tarea que es imposible en este momento porque no tenemos la tecnología para hacerlo posible. Afortunadamente, la NASA está trabajando en el proyecto SABRES, una batería que tiene el potencial de cambiar eso, gracias a la nueva química y al maravilloso material grafeno.

Antes de entrar en la solución, expliquemos el problema: las baterías de iones de litio que actualmente alimentan el 99% de los vehículos eléctricos (EV) y muchos dispositivos electrónicos son básicamente sándwiches hechos de tres partes: el pan superior se llama cátodo (hecho de litio salpicado con cobalto o algún otro material tóxico), el relleno del medio es el electrolito (un líquido inflamable), y el pan de abajo es el ánodo (generalmente hecho de grafito).

Las reacciones químicas entre estos ingredientes permiten que las baterías carguen, almacenen y suministren electricidad, pero también son la fuente de múltiples problemas graves. En primer lugar, incluso las mejores baterías de iones de litio ofrecen un rendimiento deficiente en comparación con otras fuentes de energía como los combustibles fósiles. Un estudio científico de 2016 realizado por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. predijo que estamos a tres décadas de que las baterías alcancen la densidad de potencia de los combustibles fósiles, una unidad expresada en vatios-hora por kilogramo. Cuanta más energía pueda producir por unidad de peso, mayor será la densidad de energía y, por lo tanto, más eficiente será empujar su automóvil o avión. Según los cálculos de Argonne Lab, las baterías eléctricas pueden alcanzar la densidad energética de los combustibles fósiles para 2045.

Eso es bastante malo, pero es sólo una parte del problema. Otra es la velocidad de carga glacial de las baterías. El mejor automóvil de Elon Musk, el Tesla Model S Plaid , tarda una hora en cargarse del 0 al 100 % , mientras que un automóvil de gasolina similar puede llenarse en tres minutos.

Las baterías de iones de litio requieren una gran cantidad de embalaje de refrigeración, lo que aumenta aún más su peso. También es propenso a incendiarse o explotar al impactar, un hecho que lo hace extremadamente difícil de reciclar. Para colmo, estas baterías están hechas de elementos, como el litio o el cobalto, que son escasos en la Tierra (el Dr. Solomon Asfaw , profesor de economía solar e investigador de la Universidad de LUT en Finlandia, cree que nos quedaremos sin litio para 2050). También vienen con un lado gigante de problemas geopolíticos, ya que en su mayoría están controlados por China .

GRAFENO AL RESCATE

Todos esos factores hacen que las baterías de litio actuales no sean muy buenas para los automóviles, la electrónica o incluso para la sociedad en general. Y ciertamente, están mal equipados para aplicaciones más exigentes como los vuelos comerciales. Un artículo de investigación de 2021 realizado por un equipo del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon dice que los aviones regionales pequeños requerirán baterías con una densidad de energía de al menos 480 vatios-hora por kilogramo. Lo mejor que puede ofrecer una batería de iones de litio en este momento es de unos 260 Wh/kg. 

Ahí es donde entra en juego SABERS – Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety- El acrónimo significa en español Baterías de Arquitectura de Estado Sólido para Recargabilidad y Seguridad Mejoradas, y es un proyecto que lleva años en desarrollo bajo el programa de investigación de «alto riesgo, alta recompensa» de la NASA. Su único objetivo es desarrollar una batería que pueda hacer factible el vuelo eléctrico: el santo grial del diseño de baterías. Si la NASA logra ese noble objetivo, las ventajas afectarán todo, desde el transporte público hasta los automóviles privados, su teléfono y su computadora portátil. 

Desarrollado en el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, Ohio, y en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia, por un equipo de ingenieros dirigido por el Dr. Rocco Viggiano, SABERS pretende ser potente, liviano, de descarga rápida, escalable a cualquier aplicación y extremadamente seguro Fácil, ¿verdad? Los científicos lo están haciendo al eliminar todos los materiales tóxicos y peligrosos que hacen que las baterías actuales sean demasiado ineficientes y riesgosas para colocarlas en un avión que transporta cientos de almas.

Viggiano explica que la batería está organizada en celdas empaquetadas que se pueden apilar juntas. Continuando con nuestra metáfora del deli, piense en esto como una torre de sándwiches. Cada celda consta de tres capas: El ánodo es de metal de litio (un sólido, a diferencia del ion de litio, que se parece más a un gel). El cátodo es una combinación de azufre y selenio, cuyas partículas están dispuestas en una malla de grafeno inventada y patentada por la NASA. Entre los dos está el electrolito, material sólido libre de los componentes inflamables de las baterías de iones de litio actuales.

El resultado es una batería asequible y escalable, dice Viggiano. Y uno que no sea ni inflamable ni explosivo. Es tan seguro, de hecho, que las pruebas muestran que puede seguir funcionando incluso si sufre daños graves por impacto, un factor crítico para el uso en la aviación, pero también para automóviles y camiones.

SUPERAR LAS EXPECTATIVAS

Los resultados de la primera prueba de batería fueron tan impresionantes que sorprendieron y deleitó a Viggiano y su equipo, así como a otros en la industria. Aprendieron que la temperatura operativa de la batería no excede los 302 Fahrenheit con el máximo consumo de energía. Según Viggiano, las probaron a “diferentes presiones y temperaturas, y descubrieron que pueden funcionar a temperaturas casi dos veces más altas que las baterías de iones de litio, sin tanta tecnología de refrigeración”. La temperatura operativa más baja es vital para la seguridad de la batería y su peso final: dado que no requiere las capas de refrigeración que necesita una batería de iones de litio, la batería SABERS es mucho más compacta, escalable y liviana.

Pero el resultado más impactante fue la densidad de energía de la batería. SABERS ofrece 500 vatios-hora por kilogramo, lo que duplica los 260 wh/kg de los mejores autos y supera el objetivo de Carnegie Mellon de 480 wh/kg necesarios para vuelos regionales. “Supera con creces las capacidades de las baterías de iones de litio que se consideran de última generación”, dice Viggiano. 

El Dr. Yi Lin, ingeniero de materiales de investigación en la Rama de Procesamiento y Materiales Avanzados del Centro de Investigación Langley de la NASA, ha estado siguiendo el trabajo de Viggiano desde lejos. En su opinión, si bien «la optimización y la ampliación aún deben investigarse, [SABERS] puede cambiar las reglas del juego». Me dijo por correo electrónico que los resultados han sido muy alentadores y que el concepto es factible de producir comercialmente en un futuro no muy lejano.

Otras personas en la academia están de acuerdo. “SABERS potencialmente tiene una energía específica extremadamente alta (contenido de energía por peso), lo cual es ideal para aeronaves eléctricas”, dice el Dr. Matthew T. McDowell, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Georgia. “Se necesitan baterías como la tecnología en la que están trabajando para ampliar el alcance de los vehículos eléctricos e incluso permitir aeronaves eléctricas o híbridas eléctricas, y creo que es genial que la NASA esté avanzando en esta tecnología de baterías de próxima generación”.

¿Y recuerdas ese auto Tesla? Una vez que esté completamente desarrollada, una batería basada en la tecnología SABERS eventualmente podría extender el alcance del automóvil a 1,000 millas, colocándolo por delante de los automóviles de gasolina y reduciendo su tiempo de carga.

EL CAMINO POR DELANTE

Si bien la batería de estado sólido de la NASA es un cambio de juego potencial, los vehículos eléctricos estarán condenados si no racionalizamos su fabricación y repensamos la movilidad como un todo en este momento. El hecho es que, a pesar de los avances, inventos como SABERS todavía están lejos en el horizonte. Hiroaki Koda, un exejecutivo de Toyota que ahora dirige la empresa conjunta de baterías Panasonic-Toyota Prime Planet, dijo recientemente al Financial Times que las baterías prácticas de estado sólido no comenzarán a aparecer hasta 2032. Viggiano cree que esto sucederá antes y pronostica que Los autos de producción limitada con baterías de estado sólido pueden estar en la carretera en el período de 2025 a 2028, usando atajos como agregar unas gotas de líquido para engañar a la física. 

Aún así, los problemas fundamentales relacionados con el transporte son más grandes de lo que SABERS puede resolver. Asfaw cree que necesitamos una política pública y una planificación de la ciudad que promueva el uso compartido de vehículos para satisfacer la necesidad de transporte y reducir la producción de CO2 sin detener el progreso y la economía. Las baterías de estado sólido, los motores de combustión de hidrógeno, las celdas de combustible de hidrógeno, los motores de fusión compactos y la transmisión de energía inalámbrica tienen un lugar en nuestro futuro, pero la investigación en torno a estas tecnologías debería desarrollarse junto con enfoques más sistémicos del problema.

Parte de eso es una cuestión de crear baterías totalmente reciclables, lo que SABRES hace posible. Pero también es una cuestión de apoyo público e institucional. Andrew Barron, Cátedra Sêr Cymru de Energía y Medio Ambiente con bajas emisiones de carbono en la Universidad de Swansea, cree que la electrificación segura y rápida del planeta requiere el equivalente de un nuevo programa Apolo. “Uno de mis discursos favoritos fue el de John F. Kennedy, quien se paró en el estadio de fútbol de la Universidad Rice y anunció que, para fines de la década, Estados Unidos pondría a un hombre en la luna”, dice Barron. “Todas las compañías aeroespaciales en ese momento dijeron ‘¿cómo vamos a hacer eso?’ No tenían idea. Pero durante ese período de siete años, llegaron al punto de poner a un hombre en la luna.

Esa es una ola que Estados Unidos todavía está surfeando hoy, y la fuente de la estrecha ventaja tecnológica que mantiene. Barron cree que necesitamos lo mismo ahora, por lo que SABERS y otras tecnologías no tardan dos décadas en llegar al mercado, sino solo unos pocos años. Si no ponemos los recursos para resolver este enorme enigma, no podremos resolver el mayor problema al que nos hemos enfrentado como especie: detener el cambio climático a tiempo para salvar a la humanidad de su muerte autoinfligida.

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