¿Pueden los ajustes moleculares ayudar al aluminio a satisfacer la demanda de cobre?

Esta historia fue publicada originalmente por Wired y aparece aquí como parte de la colaboración Climate Desk.

Considere por un momento el cable eléctrico, una tecnología omnipresente que es extremadamente fácil de olvidar. Enrollados dentro de nuestros dispositivos, envueltos alrededor de nuestras paredes, colgados a lo largo de nuestras calles, millones de toneladas de hilos metálicos delgados hacen el trabajo de electrificar el mundo. Pero su trabajo es benigno y tan naturalista que realmente no se siente como tecnología en absoluto. Los cables mueven electrones simplemente porque eso es lo que hacen los metales cuando se les suministra una corriente: conducen.

Pero siempre hay margen de mejora. Los metales conducen la electricidad porque contienen electrones libres que no están atados a ningún átomo en particular. Cuantos más electrones fluyan, y cuanto más rápido vayan, mejor conducirá un metal. Entonces, para mejorar esa conductividad, crucial para preservar la energía producida en una planta de energía o almacenada dentro de una batería, los científicos de materiales generalmente buscan arreglos atómicos más perfectos. Su objetivo principal es la pureza: eliminar cualquier trozo de material extraño o imperfecciones que interrumpan el flujo. Cuanto más oro es un trozo de oro, cuanto más cobre es un alambre de cobre, mejor conducirá. Cualquier otra cosa se interpone en el camino.

"Si quieres algo realmente altamente conductivo, entonces tienes que hacerlo puro", dice Keerti Kappagantula, científico de materiales en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. Es por eso que considera que su propia investigación es bastante "torpe". Su objetivo es hacer que los metales sean más conductores haciéndolos menos puros. Tomará un metal como el aluminio y le agregará aditivos como grafeno o nanotubos de carbono, produciendo una aleación. Hágalo de la manera correcta, descubrió Kappagantula, y el material adicional puede tener un efecto extraño: puede empujar al metal más allá de su límite teórico de conductividad.

El objetivo, en este caso, es crear aluminio que pueda competir con el cobre en los dispositivos eléctricos, un metal que es casi el doble de conductor, pero que también cuesta el doble. El aluminio tiene ventajas: es mucho más ligero que el cobre. Y como el metal más abundante en la corteza terrestre, mil veces más que el cobre, también es más barato y fácil de desenterrar.

El cobre, por otro lado, es cada vez más difícil de obtener a medida que el mundo hace la transición a una energía más ecológica. Aunque ha sido omnipresente durante mucho tiempo en el cableado y los motores, la demanda está aumentando. Un vehículo eléctrico utiliza aproximadamente cuatro veces más cobre que un automóvil convencional, y se requerirá aún más para los componentes eléctricos de las plantas de energía renovable y los cables que las conectan a la red. Los analistas de Wood Mackenzie, una firma de investigación centrada en la energía, estimaron que los parques eólicos marinos demandarán 5,5 megatones del metal durante 10 años, principalmente para el sistema masivo de cables dentro de los generadores y para transportar los electrones que producen las turbinas a la costa. En los últimos años, el precio del cobre se ha disparado y los analistas proyectan un creciente déficit del metal. Goldman Sachs lo declaró recientemente "el nuevo petróleo".

Algunas empresas ya lo están cambiando por aluminio donde pueden. En los últimos años, ha habido un cambio multimillonario en los componentes de todo, desde acondicionadores de aire hasta piezas de automóviles. Las líneas eléctricas de alto voltaje ya usan alambres de aluminio, porque son baratos y livianos, lo que les permite tenderse en distancias más largas. Ese aluminio se encuentra típicamente en su forma más pura y altamente conductiva.

Pero esta conversión se ha ralentizado recientemente, en parte porque el cambio ya se ha realizado para las aplicaciones en las que el aluminio tiene más sentido, dice Jonathan Barnes, analista principal de los mercados del cobre en Wood Mackenzie. Para su uso en una gama más amplia de aplicaciones eléctricas, la conductividad es el límite principal. Es por eso que investigadores como Kappagantula están tratando de rediseñar el metal.

Los ingenieros suelen diseñar aleaciones para mejorar otras cualidades de un metal, como la resistencia o la flexibilidad. Pero estos brebajes son menos conductores que la materia pura. Incluso si un aditivo en particular es especialmente bueno para transportar electricidad (que es el caso de los materiales a base de carbono con los que trabaja Kappagantula), los electrones dentro de la aleación suelen tener problemas para saltar de un material a otro. Las interfaces entre ellos son los puntos conflictivos.

Es posible diseñar interfaces donde ese no sea el caso, pero esto debe hacerse con cuidado. Las formas habituales de hacer aleaciones de aluminio no son suficientes. El aluminio metálico se ha producido durante más de un siglo mediante procesos que pueden sonarle familiares si recuerda su libro de texto de química de la escuela secundaria: el proceso Bayer para extraer óxido de aluminio de la bauxita (la roca sedimentaria en la que se encuentra principalmente el elemento), seguido de el proceso Hall-Héroult para fundir el material en metal de aluminio.

Ese segundo proceso consiste en calentar el metal a casi 1000 °C para que se funda, un procedimiento no tan respetuoso con el medio ambiente que explica en gran medida por qué se necesita aproximadamente cuatro veces más energía para producir aluminio que para producir cobre. . Y a estas temperaturas surgen problemas para hacer aleaciones adecuadamente matizadas. Es demasiado caliente para un aditivo como el carbón, que perderá su estructura cuidadosamente diseñada y terminará distribuido de manera desigual a través del metal. Las moléculas de las dos sustancias se realinean para formar lo que se conoce como intermetálico, un material duro y quebradizo que actúa como aislante. Los electrones no pueden dar el salto de un lado al otro.

En cambio, los investigadores del PNNL recurrieron a un proceso llamado fabricación en fase sólida, que utiliza una combinación de fuerzas de cizallamiento y fricción a temperaturas más bajas para colocar el nuevo material de carbono en capas en el metal. La clave es hacer esto a una temperatura que sea lo suficientemente alta para que el aluminio se vuelva flexible, en el llamado estado "plástico", pero no fundido. Esto le permite a Kappagantula controlar cuidadosamente la distribución de los materiales, que luego se verifican con simulaciones por computadora que modelan las estructuras atómicas de las nuevas aleaciones.

Será un proceso largo sacar esos materiales del laboratorio. El primer paso del equipo ha sido producir cables hechos de las nuevas aleaciones, primero de unas pocas pulgadas de largo y luego de unos pocos metros. A continuación, crearán barras y láminas que se pueden ejecutar a través de una variedad de pruebas para asegurarse de que no solo sean más conductivas, sino también lo suficientemente fuertes y flexibles para ser útiles para fines industriales. Si pasa esas pruebas, trabajarán con los fabricantes para producir mayores volúmenes de la aleación.

Pero para Kappagantula, vale la pena reinventar el proceso de fabricación de aluminio de dos siglos de antigüedad. "Necesitamos mucho cobre, y pronto vamos a tener escasez", dice. "Esta investigación nos dice que estamos en el verdadero camino correcto".