Blog

Jun 01, 2024

¿Puede la ciencia de materiales resolver los desafíos de los aviones de hidrógeno?

Una alternativa prometedora al almacenamiento de hidrógeno en estado gaseoso es el almacenamiento en estado líquido en tanques criogénicos (21,2 K/-251,8 °C) a presión ambiente. Crédito: Dudaeva vía Shutterstock. La selección e ingeniería de

Una alternativa prometedora al almacenamiento de hidrógeno en estado gaseoso es el almacenamiento en estado líquido en tanques criogénicos (21,2 K/-251,8 °C) a presión ambiente. Crédito: Dudaeva vía Shutterstock.

La selección e ingeniería de materiales avanzados específicos (AdM) desempeñan un papel importante en el diseño de aviones de hidrógeno. Particularmente clave es el almacenamiento eficiente de hidrógeno, que requiere que el material seleccionado tenga una fuerte interacción con el hidrógeno o ninguna reacción. Se han identificado seis métodos de almacenamiento reversible de hidrógeno con una alta densidad volumétrica y gravimétrica, que se centran vagamente en tres tipos de almacenamiento: almacenamiento de gas a alta presión, almacenamiento de líquido criogénico y almacenamiento absorbido, donde el hidrógeno se absorbe en un material y luego se libera selectivamente. .

Los cilindros de gas de alta presión (<20 MPa) son actualmente el método más ubicuo de almacenamiento de hidrógeno, siendo los aceros inoxidables austeníticos (una forma de acero inoxidable que contiene cantidades significativas de cromo y níquel) y las aleaciones de aluminio los más populares hasta la fecha, debido a su resistencias a la tracción muy altas y densidades relativamente bajas, así como su alta inmunidad a los efectos del hidrógeno (reacción y difusión) a temperatura ambiente. También se han desarrollado estructuras compuestas ligeras reforzadas con fibra que, si bien no son isotrópicas (iguales en todas las direcciones) en resistencia, pueden diseñarse para soportar presiones de hasta 80 MPa, para una densidad volumétrica significativa, un factor clave en el almacenamiento móvil de hidrógeno. Sin embargo, un problema crítico con el almacenamiento de gas a alta presión es la oposición entre la densidad volumétrica y gravimétrica, por lo que al aumentar la presión aumenta la primera pero disminuye la segunda, y viceversa. Si bien hasta ahora las bombonas de gas han sido suficientes, se necesitan nuevos diseños para los aviones de hidrógeno.

Una de estas alternativas muy prometedoras al almacenamiento de hidrógeno en estado gaseoso es el almacenamiento en estado líquido en tanques criogénicos (21,2 K/-251,8 °C) a presión ambiente. Esto presentaría una multitud de beneficios, incluida una mayor seguridad como resultado de presiones operativas reducidas y una mayor flexibilidad en el diseño del tanque, ya que los tanques presurizados generalmente solo pueden construirse en geometrías cilíndricas. Sin embargo, existe un problema fundamental con el almacenamiento de líquidos criogénicos: el costo. El ciclo Joule-Thompson/Linde, el método de licuefacción de hidrógeno más sencillo, sigue siendo complicado y, por tanto, caro. Además, el almacenamiento a temperaturas criogénicas es complejo y las pérdidas por ebullición pueden deberse a fugas de calor. En condiciones óptimas (un dewar esférico de doble pared y aislado al vacío), un tanque de 100 m³ normalmente experimentaría una pérdida diaria del 0,2%, aunque esta pérdida aumentará en el caso de diseños de tanques no óptimos (por ejemplo, tanques no esféricos) probablemente necesarios para las aeronaves.

Aunque está menos desarrollado, también es posible el almacenamiento por absorción. Hay varias propuestas, incluida la fisisorción (atracción) de moléculas de hidrógeno sobre la superficie de un sólido. Los materiales de gran superficie específica (es decir, relación superficie-peso), como el carbón nanoestructurado o activado y los nanotubos de carbono (CNT), son posibles sustratos. Los CNT son de particular interés como cavidad del tubo, que tiene un ancho de menos de unos pocos diámetros moleculares, lo que provoca una superposición de campos y una mayor fuerza de atracción entre el carbono y el hidrógeno. En comparación, las láminas planas de grafeno en grafito tienen menos atracción pero son más fáciles de fabricar.

La fisisorción para el almacenamiento de hidrógeno tiene potencial debido a la baja presión operativa y al costo del material, así como a una arquitectura de diseño simple, pero las pequeñas densidades volumétricas y gravimétricas son inconvenientes importantes. Otro método de almacenamiento de hidrógeno sólido es la reacción con metales de transición a temperaturas elevadas para formar hidruros. El hidrógeno reacciona con muchos de los elementos más electropositivos (es decir, Sc, Ti, Va) y se asienta en la estructura cristalina metálica, sin cambios de presión en el sistema. Esto puede dar como resultado una densidad volumétrica de hidrógeno extremadamente alta, lo que convierte a los hidruros metálicos en un método muy eficaz para almacenar grandes cantidades de hidrógeno de forma segura y compacta. Sin embargo, la densidad gravimétrica alcanzable actual de aproximadamente el 3% en masa es un factor limitante para las aeronaves, lo que significa que aún persiste el desafío de diseñar un sistema de hidruro metálico liviano.

También se puede utilizar un sistema diferente de hidruros complejos: metales ligeros de los grupos 1, 2 y 3 (por ejemplo, Li, Mg, B, Al, etc.), para dar lugar a una gran variedad de complejos metal-hidrógeno. La principal diferencia entre estos y los hidruros metálicos es la transición a un compuesto iónico o covalente tras la absorción de hidrógeno. Son muy estables y sólo se descomponen a temperaturas superiores al punto de fusión del complejo. Sin embargo, son posibles densidades gravimétricas muy altas a temperatura ambiente: iBH4 tiene un 18% en masa de hidrógeno, ideal para aviones. En general, la ciencia de los materiales es una pieza clave en el rompecabezas de los aviones de hidrógeno. Los nuevos materiales para el almacenamiento de hidrógeno absorbido serán importantes en la transformación de los viajes impulsados ​​por hidrógeno de prototipos a una solución de mercado a escala en viajes aéreos sostenibles.

GlobalData es la empresa matriz de inteligencia empresarial de este sitio web.