Una receta para un combustible libre de emisiones: latas de refresco, agua de mar y cafeína

Los ingenieros del MIT han descubierto que cuando el aluminio de una lata de refresco se expone en su forma pura y se mezcla con agua de mar, la solución burbujea y produce hidrógeno de forma natural, un gas que luego se convierte en carbono y que se puede utilizar para alimentar un motor o una pila de combustible. emisiones. . Además, esta sencilla reacción se puede acelerar añadiendo un estimulante común: la cafeína.

En un estudio que aparece hoy en la revista informes celulares ciencia física, Los investigadores demuestran que pueden producir gas hidrógeno dejando caer bolitas de aluminio preformadas del tamaño de un guijarro en un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. El aluminio está pretratado con una aleación de metal raro que refina eficazmente el aluminio hasta obtener una forma pura que puede reaccionar con el agua de mar para producir hidrógeno. Los iones de sal en el agua de mar pueden, a su vez, atraer y recuperar la aleación, que puede reutilizarse para producir más hidrógeno en un ciclo sostenible.

El equipo descubrió que esta reacción entre el aluminio y el agua de mar producía con éxito gas hidrógeno, aunque lentamente. Por diversión, echaron algunos posos de café a la mezcla y, sorprendentemente, la reacción se aceleró.

Finalmente, el equipo descubrió que una baja concentración de imidazol, un ingrediente activo de la cafeína, era suficiente para acelerar significativamente la reacción, produciendo la misma cantidad de hidrógeno en solo cinco minutos, en comparación con dos horas sin estimulación adicional. . .

Los investigadores están desarrollando un pequeño reactor que puede funcionar en un submarino o en un vehículo submarino. El recipiente contendrá un suministro de bolitas de aluminio (recicladas de latas de refresco viejas y otros productos de aluminio), junto con galio-indio y pequeñas cantidades de cafeína. Estos componentes pueden bombearse periódicamente al reactor, junto con parte del agua de mar circundante, para producir hidrógeno según sea necesario. Luego, el hidrógeno puede alimentar los motores del barco para impulsar motores o generar electricidad para impulsar el barco.

“Es muy interesante para aplicaciones marítimas como barcos o vehículos submarinos porque no es necesario transportar agua de mar; está fácilmente disponible”, dice el autor principal del estudio, Eli Kombergi, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Ni siquiera necesitamos llevar un tanque de hidrógeno. En lugar de eso, transportaremos aluminio como ‘combustible’ y simplemente agregaremos agua para producir el hidrógeno que necesitamos”.

Los coautores del estudio incluyen a Enoch Ellis, estudiante de ingeniería química. Peter Goddart PhD ’21, quien fundó una empresa para reciclar aluminio mediante combustible de hidrógeno; y Douglas Hart, profesor de ingeniería mecánica del MIT.

Crea un escudo.

El equipo del MIT, dirigido por Hart, está desarrollando formas eficientes y sostenibles de producir gas hidrógeno, que se considera una fuente de energía “verde” que puede alimentar motores y combustible sin producir emisiones de gases de efecto invernadero.

Una desventaja de alimentar vehículos con hidrógeno es que algunos diseños requieren que el gas se lleve a bordo en tanques como la gasolina convencional, una configuración peligrosa dada la naturaleza volátil del hidrógeno. En cambio, Hart y su equipo buscaron formas de propulsar vehículos con hidrógeno sin transportar constantemente el gas.

Encontraron una posible solución en el aluminio, un material naturalmente abundante y estable que, cuando entra en contacto con el agua, sufre una reacción química sencilla que produce hidrógeno y calor.

Sin embargo, la reacción conlleva una especie de trampa: si bien el aluminio puede producir hidrógeno cuando se disuelve en agua, sólo puede hacerlo en estado puro y no expuesto. Tan pronto como el aluminio se encuentra con el oxígeno, como en el aire, la superficie forma inmediatamente una fina capa de óxido en forma de escudo que evita una mayor reacción. Esta barrera se debe a que el hidrógeno no burbujea inmediatamente cuando dejas caer la lata de refresco al agua.

En trabajos anteriores, utilizando agua dulce, el equipo descubrió que podían perforar el escudo de aluminio y reaccionar con el agua pretratando el aluminio con una aleación de metal raro hecha de concentraciones específicas de galio e indio. El compuesto actúa como un “activador”, limpiando cualquier acumulación de óxido y creando una superficie de aluminio puro que puede reaccionar libremente con el agua. Cuando realizaron la reacción en agua dulce desionizada, descubrieron que una esfera de aluminio preformada producía 400 mililitros de hidrógeno en sólo cinco minutos. Calculan que con sólo 1 gramo de pellets se producirán 1,3 litros de hidrógeno al mismo tiempo.

Pero ampliar el sistema requeriría un suministro significativo de galio indio, que es relativamente caro y raro.

“Para que esta idea fuera rentable y sostenible, tuvimos que trabajar en la recuperación de la aleación después de la reacción”, afirma Kombergi.

Por el mar

En el nuevo trabajo del equipo, descubrieron que podían recuperar y reutilizar galio-indio utilizando una solución de iones. Los iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) protegen la aleación metálica para que no reaccione con el agua y ayudan a convertirla en una forma que pueda extraerse y reutilizarse.

“Afortunadamente para nosotros, el agua de mar es una solución iónica muy barata y disponible”, afirma Kombergi, que probó la idea con agua de mar de una playa cercana. “Literalmente bajé al río con un amigo, tomamos nuestras botellas y las llenamos, y luego simplemente filtré las algas y la arena, agregué el aluminio y tuvo la misma consistencia. Trabajé con resultados”.

Descubrió que el hidrógeno en realidad burbujeaba cuando añadía aluminio a un vaso de precipitados con agua de mar filtrada. Y luego pudo extraer galio indio. Pero la reacción fue mucho más lenta que en agua dulce. Resulta que los iones de galio en el agua de mar actúan para proteger el indio, de modo que pueda recolectarse y recuperarse después de la reacción. Pero los iones tienen un efecto similar sobre el aluminio, formando una barrera que ralentiza su reactividad con el agua.

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

“Estábamos jugando con lo que teníamos en la cocina y descubrimos que cuando añadíamos café molido al agua de mar y le echamos bolitas de aluminio, la reacción, en comparación con la del agua de mar”, dice Kombergi, era bastante rápida”, dice Kombergi.

Para ver qué podría explicar esta velocidad, el equipo se acercó a colegas del departamento de química del MIT, quienes sugirieron probar con imidazol, el ingrediente activo de la cafeína, que tiene una estructura molecular similar a la del aluminio, que puede penetrar (lo que permite que el material continúe). El galio reacciona con el agua manteniendo el escudo iónico del indio.

“Para nosotros fue una gran victoria”, afirma Kombergi. “Teníamos todo lo que queríamos: la recuperación de galio indio, además de una respuesta rápida y eficiente”.

Los investigadores creen que tienen los componentes necesarios para operar un reactor de hidrógeno sostenible. Planean probarlo primero en vehículos marinos y submarinos. Calcularon que un reactor de este tipo, que contiene alrededor de 40 libras de bolitas de aluminio, podría impulsar un pequeño planeador submarino durante unos 30 días bombeando el agua de mar circundante y alimentando el motor para producir hidrógeno.

“Estamos mostrando una nueva forma de producir combustible de hidrógeno, sin hidrógeno, pero utilizando aluminio como combustible”, afirma Kombergi. “La siguiente parte es descubrir cómo utilizarlo en camiones, trenes y aviones. Quizás, en lugar de transportar agua, podamos extraer agua de la humedad atmosférica para producir hidrógeno. Ése es el resultado final”.