Entrevista al físico Joaquín Sacanell

Entrevista al Físico Joaquín Sacanell, especialista en ciencia y tecnología de materiales
Radiografía de una celda de combustible: “Mediante el uso de nanotubos es posible optimizar la captura de oxígeno en celdas de combustible”.
(23/08/10 – Agencia CyTA-Instituto Leloir / Divulgación GIyANN-CNEA. Por Laura García)-. Joaquín Sacanell es especialista en materiales e investigador del Conicet. Se doctoró en física, en la Universidad de Buenos Aires y trabaja en el Centro Atómico Constituyentes de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), en la provincia de Buenos Aires. Recientemente, visitó la ciudad de San Carlos de Bariloche para participar del “X Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados” organizado por la CNEA.
En esta nota, Sacanell realiza una “radiografía” de las celdas de combustible: cómo funcionan, cuáles son los desafíos actuales para su desarrollo, y de qué se trata la experimentación que su grupo realiza sobre materiales que capturan oxígeno de forma eficiente. Además, cuenta por qué se explora la opción del metano en esos dispositivos que hoy se investigan en todo el mundo por sus aplicaciones en el universo de los automotores y en pequeños dispositivos como los celulares.
-El campo de la “física experimental del estado sólido” tiene un nombre difícil, ¿qué investigan en concreto en su grupo?
- Nos interesa entender cuáles son las interacciones que hacen que un material cambie sus propiedades ante ciertos estímulos externos. Por ejemplo, observar qué ocurre cuando se le acerca un imán. Para estudiar esos efectos y sus posibles aplicaciones, sometemos los materiales a estímulos de manera controlada y medimos las propiedades que nos interesan. En particular, en nuestro grupo medimos la resistencia eléctrica, que sería básicamente cuánto le cuesta a la corriente eléctrica circular por un cable. Estudiamos cuáles son los parámetros que tienen influencia en la resistencia eléctrica, y cuáles son los estímulos externos que pueden hacer que ésta cambie. De ese modo, se pueden conseguir materiales en los que una mayor o menor resistencia eléctrica se obtenga con sólo cambiar un estímulo externo.
-¿Podría dar un ejemplo de ese tipo de material?
-Sí, pensemos por ejemplo en una lamparita conectada a una pila con cables fabricados con un determinado material. Si este material reduce su resistencia eléctrica al acercarle un imán, entonces por él pasará más corriente eléctrica. El resultado es que, en ese caso, la luz de la lamparita será más intensa utilizando un estímulo a distancia. Esos materiales existen y forman parte de nuestro campo de estudio. Otra de las líneas de trabajo que empezamos hace pocos años es el estudio de materiales con aplicaciones en energías limpias. Dentro de ese campo están las celdas de combustible, tema en el que trabajamos en estrecha colaboración con el doctor Diego Lamas del Centro de Investigaciones en Sólidos de CITEFA.
-¿Cómo funcionan las celdas de combustible?
-De modo parecido a una pila. La diferencia es que una pila, por ejemplo de una linterna, tiene dos contactos y toda la parte química está dentro de esa pila. Allí hay sustancias químicas que reaccionan y provocan un desequilibrio de cargas eléctricas capaces de producir una corriente eléctrica que se utiliza para prender la lamparita de la linterna. La celda de combustible tiene un principio de funcionamiento similar, pero los elementos que reaccionan están en el exterior de la celda. Por ejemplo, si se le acerca hidrógeno de un lado y oxígeno del otro lado, se produce una reacción química equivalente a la que ocurre en la pila y se puede generar una corriente eléctrica. Los autos a hidrógeno funcionarían con este principio de las celdas de combustible.
-¿Qué materiales se utilizan en las celdas de combustible?
-Las fórmulas químicas de los materiales utilizados en celdas de combustible suelen ser complejas, porque tienen combinados de lantano, estroncio, cobalto, entre otros. Es una fórmula química que combina metales y oxígeno. Son materiales de la familia de los “óxidos complejos”. La celda de combustible en sí suele tener un tamaño “macroscópico”, desde el de una batería de un reloj o una moneda al de una batería de auto o aún mayor. Pero si uno mira con microscopio los materiales que forman las celdas sobre las que nosotros trabajamos, se observa que son materiales cerámicos. Una celda prototípica como las que se ensayan en nuestro laboratorio, no se parece a una pila como las que conocemos, contenida en una estructura metálica, sino que es simplemente una pastilla cerámica. De un lado y del otro se le colocan los materiales que reaccionan con oxígeno e hidrógeno.
-¿En su grupo con qué materiales trabajan?
-Con los materiales que reaccionan con el oxígeno, es el electrodo conocido como “cátodo”. Lo que nos interesa es tener un material que optimice la captura del oxígeno. Si uno tiene un material con superficie plana, como una mesa, y se le acerca oxígeno, el oxígeno se va a ir depositando sobre esa superficie. Pero si se le hacen agujeritos muy chiquitos, el oxígeno tendrá más lugares donde quedar capturado.
-¿Eso sería un material poroso? ¿Cómo lo fabrican?
-Sí, nosotros hacemos películas muy porosas a partir de nanotubos, que son pequeños cilindros hechos con esa fórmula estrambótica de una mezcla de materiales como el lantano, el estroncio y el cobalto. Para fabricarlo, se debe generar una reacción química: el proceso incluye hacer una solución de agua, un sistema de filtrado y un tratamiento térmico en un horno. El resultado es un polvo negro que cuando se lo mira con un microscopio se observa que está formado por pequeños cilindros. Su diámetro es del orden de un micrómetro, o sea, es mil veces más chico que un milímetro. Las paredes de esos cilindros están formadas por nanopartículas. Luego depositamos esos tubos sobre una pastilla de cerámica y estudiamos las propiedades eléctricas de ese material en presencia de oxígeno. La idea es justamente obtener un material lo más poroso posible para garantizar el acceso de los gases a las celdas de combustible. Sabemos además que el hecho de que esté formado por nanopartículas también juega un rol fundamental en las propiedades.
-¿Cómo llegaron a esa fórmula química?
-Se conoce desde la década de 1940, y el nombre del material es “perovskita” de lantano, estroncio y cobalto, también se lo llama “cobaltita”. Se lo estudia desde hace tiempo porque tiene varias propiedades interesantes. Una de las propiedades interesantes que tiene es que es metálico, o sea que conduce bien la electricidad. Además, el oxígeno tiene una alta movilidad dentro de esa estructura, algo que también nos sirve porque queremos que el oxígeno entre, reaccione y vaya hacia el electrolito. Nosotros no inventamos ese material, se hace en laboratorios, ya que no existe en la naturaleza. Lo que hicimos nosotros fue fabricarlo en forma de nanotubos para aplicarlo en este material poroso que captura oxígeno.
-¿Cómo actúa el oxígeno en la celda de combustible?
-La reacción química ocurre con el oxígeno porque se necesita hacer el transporte de dos especies. La celda es una pastilla que por fuera tiene que funcionar como una pila. Pero hay que tener en cuenta que todos los materiales tienen cargas positivas y negativas que se cancelan para que la materia sea eléctricamente neutra. Si se le “extraen” electrones, que son los que provocan la corriente eléctrica, se tiene que compensar esa carga de alguna manera. Este material compensa la carga “moviendo” iones de oxígeno, o sea, átomos de oxígeno que están cargados. Entonces, por afuera se genera una corriente eléctrica que se utiliza para un fin determinado, por ejemplo encender un aparato, y por adentro de la celda de combustible, esa carga se compensa moviendo iones de oxígeno. Podría haber otro ión, algunas funcionan moviendo hidrógeno. También por ejemplo se utilizan pilas de litio, pero el proceso con litio es mucho más costoso como para ser utilizado en una celda de combustible, y aparte no tenemos gases que contengan litio.
-¿Y luego qué ocurre en la celda de combustible?
-El oxígeno se deposita en este material cerámico poroso. Con los electrones que vienen en el circuito externo a la celda, se “extraen” electrones del hidrógeno en un electrodo llamado “ánodo” y se los lleva al electrodo que está en contacto con el oxígeno, el “cátodo”. Esos electrones producen una reacción que se llama “reducción del oxígeno”, que hace que el oxígeno quede cargado, y después ese oxígeno viaja al ánodo, pero por adentro de la celda. De nuevo, se tiene carga compensada del otro lado, y se cierra el circuito. La corriente eléctrica sigue funcionando siempre y cuando le agregues oxígeno e hidrógeno a la celda.
-¿Y el hidrógeno qué rol juega en una celda de combustible?
-El hidrógeno provee los electrones que se necesitan para hacerlos pasar por el circuito: se los lleva hacia el otro lado de la celda, allí ocurre la reducción del oxígeno, luego el oxígeno reducido pasa hacia el lado del hidrógeno, y el único residuo es la combinación del hidrógeno que quedó de un lado y el oxígeno que vino del otro lado. El residuo es agua. El hidrógeno es lo que llamamos el “combustible” de la celda.
- En el mundo, ¿en qué punto se encuentra el desarrollo de las celdas de combustible?
-A nivel mundial, los prototipos de celdas de combustible están bastante desarrollados, aunque no a nivel comercial. Ya hay motores de autos que funcionan con hidrógeno. El problema más grave es que almacenar hidrógeno todavía es muy difícil y caro. Además es peligroso almacenar hidrógeno, porque es muy volátil. Es probable que una de las formas de obtener hidrógeno en el futuro de modo masivo sea utilizando energías renovables, como la solar o la eólica. Eso excede mi campo de investigación, pero hay ciertos desarrollos experimentales que consisten en obtener energía eléctrica a partir de la energía eólica. Y ese proceso luego es utilizado para separar el hidrógeno del agua, y luego utilizar ese hidrógeno en la celda de combustible, obtener agua y cerrar el ciclo.
-¿En qué estado está su trabajo de investigación sobre el material que captura oxígeno?
-Bastante avanzado, funciona mucho mejor que los materiales comerciales. El rendimiento es muy alto, pero no tenemos recursos ni infraestructura ni experiencia para hacer un desarrollo más allá de un prototipo. Sólo estudiamos las propiedades de los materiales, hacemos la ciencia básica previa a las aplicaciones. Dentro del proyecto en el que trabajamos con gente de CITEFA está planeado hacer prototipos de celdas de combustible como una forma de testear nuestros materiales. Sin embargo, como el hidrógeno es tan complicado, estamos trabajando con celdas que además podrían funcionar con metano. El metano se obtiene del gas natural. Es más fácil trabajar con ese gas, aunque produce efecto invernadero, utilizado en celdas produce mucho menos que el motor de combustión. Nuestra idea es utilizar celdas con metano en una primera etapa, como alternativa al hidrógeno que es mucho más complicado y más caro.
-¿Trabajan siempre con altas temperaturas?
-La temperatura es una variable que nos interesa, porque las celdas de combustible con las que trabajamos operan a altas temperaturas. Otras operan a cien grados y algunas a mayores temperaturas. Las que hacemos en nuestro laboratorio operan típicamente a mil grados, y lo que uno intenta es bajar esa temperatura porque es difícil que cualquier material resista esa temperatura. Parte de nuestra investigación es obtener materiales que operen a menores temperaturas, reducirla a 700 u 800 grados. Hay que pensar que las celdas de combustible de laboratorio pueden tener un tamaño muy localizado con lo cual no suele ser difícil calentarlas. Lo que es difícil es calentar celdas muy grandes para generar altas potencias, pero no es complicado obtener pequeños dispositivos donde el calentamiento esté localizado en una pequeña región.
-Por ejemplo, para un MP3 o un celular.
-Allí, las celdas que tienen más chances son las que funcionan a 100 grados, aunque es el mismo principio de funcionamiento, un campo totalmente distinto en cuanto a investigación y desarrollo.
-¿Y ustedes por qué trabajan con las de mayor temperatura?
-Porque funcionan con metano, las otras no. Y con oxígeno, todas. El oxígeno viene de un lado siempre, y del otro lado viene o hidrógeno o metano. Hay otras contras: las que funcionan a 100 grados necesitan usar mucho platino. Y eso es carísimo. Por eso uno busca alternativas donde no se use platino, y las que funcionan a mil grados no precisan platino. Reducir la temperatura es un gran desafío.
-Para terminar, aquí en Bariloche hace poco tiempo toda la ciudad estuvo siguiendo la llegada a la cima del Everest de unos andinistas locales, y uno de los desafíos era la poca densidad de oxígeno. El material que están estudiando en su laboratorio ¿podría tener alguna aplicación en una especie de tanque o aspiradora que capture grandes cantidades de oxígeno en las alturas?
-Es una idea interesante, pero no lo sé (risas).
-¿Cuáles son los siguientes pasos en su grupo de trabajo con respecto a estos materiales?
-Actualmente seguimos estudiando el efecto del tamaño de los distintos componentes, orientados a optimizar las propiedades mediante el uso de estructuras de tamaño nanométrico. El paso siguiente es probar los materiales en celdas prototípicas y tratar de encontrar nuevos materiales para investigar.
Fuente: http://www.agenciacyta.org.ar/2010/08/entrevista-al-fisico-joaquin-sacanell-especialista-en-ciencia-y-tecnologia-de-materiales/Añadir