Dos inventos muy necesarios

La nueva batería de la NASA para los vuelos espaciales

La NASA siempre ha sido líder en las nuevas tecnologías. Muchos de los productos que se utilizan en la sociedad actual fueron descubiertos por esa importante institución para aplicarlos a los vuelos espaciales, y ya después pasaron al uso cotidiano de la sociedad civil, mejorando la calidad de vida de los ciudadanos. Productos como los pañales hasta otros más específicos: termómetros para los oídos, plantillas para calzado, aparatos de ortodoncia invisibles, herramientas sin cable, filtros de agua corriente, células solares, navegación por satélite, trajes de bomberos, tejidos de fibra térmica ligeros, frutas o comidas deshidratadas... Y esta dinámica continúa. Dentro de los muchos ingenios construidos por la NASA para la conquista del Cosmos, la batería eléctrica ha sido fundamental para cualquier actuación o proceso. De ella sale toda la electricidad necesaria para las luces, cuadros de mando, arranque de instrumentos y tantas otras funciones que se hacen en un vuelo espacial; de ahí su importancia en el desarrollo de la carrera espacial. Pero, ¿qué es una batería?

         Se denomina batería o acumulador eléctrico al dispositivo que almacena energía eléctrica utilizando para ello un proceso electroquímico en el que se liberan iones cargados o electrones, proceso que se repite cíclicamente, para lo que se le debe suministrar electricidad inicialmente en el denominado proceso de carga; suministro que pueden hacer las placas solares.

            En su funcionamiento interviene un proceso de oxidación-reducción en el que los productos utilizados no se consumen sino que cambian su estado de oxidación, transformándose en iones con carga eléctrica o soltando electrones que se desplazan entre dos polos, positivo y negativo, movimiento que produce la corriente iónica o la eléctrica, cuya energía hace que se pueda aprovechar para encendidos. Al final estas cargas pueden retornar a la sustancia o material que generó el proceso, que puede volver a su estado inicial. Durante el funcionamiento, uno de los componentes de la batería se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana electrones), cambiando sus estados. La batería consta de un ánodo, terminal negativa que capta los electrones generados en las reacciones, y un cátodo, terminal positiva donde los pierde. Este intercambio de electrones hace que se desarrolle una diferencia de potencial o de voltaje entre las dos terminales, lo que permite que fluya la electricidad. El mecanismo ha sido el mismo a lo largo de toda la evolución de las baterías: antiguamente se desplazaban iones (aniones y cationes) en los acumuladores iónicos, que fueron sufriendo mejoras hasta llegar a los eléctricos, con mejores mecanismos y mayor diversidad de voltajes.

            Aunque resulte extraño, son procesos muy comunes. Los investigadores del siglo XIX ya conocían estos fenómenos y sabían que la electricidad producía en determinadas sustancias en suspensión liquida, o electrolitos, un proceso denominado electrolisis en el que las sustancias se polarizaban, apareciendo iones positivos y negativos que se podían orientar.

            Existen diferentes tipos de baterías en función de la estructura y composición del proceso interno; posiblemente las más conocidas sean las baterías de plomo, las que más hemos usado para arrancar o dar electricidad a nuestros coches o motos durante un largo tiempo, y que aún hoy siguen en uso en muchos lugares. 

      Esta batería tiene los dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomoII (PbSO₄) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb) y el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Cuando inicialmente se carga, el sulfato de plomoII se reduce a plomo metal en el polo negativo o cátodo, y en el ánodo se forma óxido de plomoIV (PbO₂). En esta transformación cambian los procesos de carga, de manera que el óxido de plomoIV, que ahora funciona como cátodo, se reduce a sulfato de plomoIV, a la vez que el plomo elemental se oxida en el ánodo dando sulfato de plomoII mediante un intercambio de electrones, que se puede aprovechar en forma de corriente eléctrica por un circuito externo, haciendo que en el desplazamiento de electrones desde el ánodo, terminal negativa que capta los electrones generados en las reacciones, y el cátodo, terminal positiva donde los pierde, se desarrolle una diferencia de potencial o de voltaje entre las dos terminales, que hace que fluya la electricidad. Es un buen mecanismo que genera electricidad para arrancar el vehículo, alumbrar el cuadro de mandos, dar luces… Sin embargo tiene un inconveniente, y es que va bajando la concentración de ácido sulfúrico al liberarse agua en la reacción y diluirlo, y llega un momento en que no se produce la reacción y deja de funcionar, lo que obliga a cambiar la batería.

Aunque este tipo de baterías ha ido mejorando otras más antiguas, gracias a los avances tecnológicos del siglo pasado y del presente, estaba claro que para determinados mecanismos hacían falta baterías que durasen más, con menor desgaste y capaces de conseguir más potencia. Aparecieron entonces las baterías de ion de litio, que son las más usadas actualmente ya que cargan más rápidamente y tienen mayor tiempo de duración. Sustituían a las de níquel-hidrógeno. Una sola batería de iones de litio sustituye a dos baterías de níquel-hidrógeno. Componen las baterías de ion-litio un cátodo (electrodo positivo) de carbonato de litio, o de óxido de litio, o de fosfato de litio, o de hidróxido de litio en el caso de las baterías recargables, mientras que el ánodo (electrodo negativo) lo constituye una barra de litio metal en baterías no recargables; añaden un separador de plástico aislante para evitar cortocircuitos, y un electrolito, que es un disolvente orgánico inflamable en el que se diluyen las sales de litio de la forma LiC₁. Están formadas por dos o tres celdas y la electricidad de estas baterías se usa literalmente para todo: las utilizan multitud de dispositivos, como teléfonos móviles, ordenadores, coches eléctricos, aparatos de hospitales…  incluso en naves y trajes espaciales, debido a su potencia y ligereza.

 

Sus diferentes formas y estructuras permiten juntar sucesivas celdas o células en una misma pila o batería, de forma que se puede aumentar su potencia según preferencia o necesidad. La batería puede ser la unión de sucesivas celdas o “baterías”, como las capas de una cebolla, y eso es aplicable a cualquier estructura.  Esas son las baterías de polímero de litio, que almacenan mucha energía y son ligeras; están formadas por sucesivas celdas o células recargables en paralelo. 

Sin embargo, no eran unas baterías perfectas al cien por cien. A pesar de las grandes ventajas que tienen, cuentan con el riesgo, aunque bajo, de incendiarse, y si eso ya supone un problema en un teléfono móvil o en un portátil, nos imaginamos las graves y dramáticas consecuencias que conllevaría en una nave tripulada. El denominado “embalado térmico” hace referencia a un fenómeno que ocurre en estas baterías de ion litio: en un momento entran en un bucle en el que se dispara su temperatura hasta terminar ardiendo, cosa que ya han sufrido muchos portadores de teléfonos móviles con este tipo de batería. Esa posibilidad había que descartarla totalmente en los vuelos espaciales.

Al no disponer de mejores alternativas, los científicos de la NASA, dirigidos por Darcy, desarrollaron cinco pautas para minimizar los riesgos de explosión: comenzaron por recubrir las células de tubos de acero, logrando así contenerlas en caso de explosión instantánea; también aislaron con aluminio, un buen neutralizador del calor, el resto de los equipos, para impedir que las llamas entrasen en contacto directo con las células cercanas, evitando así una propagación rápida. La tercera pauta se aplica únicamente a las baterías colocadas en paralelo, ya que en dicha situación las células se comienzan a calentar internamente generando un riesgo adicional, y para evitarlo introdujeron fusibles que actuarían como interruptores llegado el momento, aislando el foco del incendio y evitando su propagación a otras células; y ya por último, incluían una especie de chimenea para expulsar el material caliente y el humo fuera del paquete, y se acoplaba algún medio para extinguir las llamas.

Paralelamente a esto se dedicaban muchos recursos e inteligencia para sustituir estas baterías por otras nuevas en las que no se dieran esos problemas, y al parecer esa investigación dio sus frutos. Semanas atrás, la NASA comunicaba que sus científicos habían creado una novedosa batería de estado sólido con suficiente energía y potencia para ser utilizada en aviones eléctricos y otros dispositivos aeronáuticos. Afirmaba que, a diferencia de las baterías convencionales de iones de litio, las de estado sólido no contienen los líquidos que pueden provocar un sobrecalentamiento, un incendio y una pérdida de carga con el paso del tiempo, a la vez que puede retener más carga al estar en estado sólido. Con esta batería de estado sólido, la NASA consigue el doble de energía por kilo de peso que las actuales y en las primeras experiencias se ha comprobado su rentabilidad en la aviación eléctrica de media distancia. Su uso no sólo aligera entre un 30 a 40 por ciento el peso de la batería, sino que permite duplicar, o incluso triplicar, la energía que puede almacenar, superando las capacidades de las baterías de iones de litio más avanzadas del mundo. Cada célula está formada por tres capas. El ánodo es una barra metálica de litio, no ión de litio como las actuales, y el cátodo lo forma una combinación de azufre y selenio cuyas partículas están organizadas en una malla de grafeno inventada y patentada por la NASA. Se define “el grafeno”  como una monocapa de átomos de carbón compactado que se disponen hexagonalmente; cien veces más duro que el acero, es elástico y flexible, cinco veces menos pesado que el aluminio, y permite trabajar a temperaturas más altas. En medio de ambos polos se encuentra un electrolito sólido formado por una combinación de materiales, eliminando así al electrolito líquido que hace que las baterías actuales sean inflamables y explosivas. Estas nuevas baterías pueden operar aunque estén dañadas en un impacto. Su temperatura, no supera los 150 grados centígrados a máxima potencia de consumo, lo que las hace mucho más compactas y ligeras que las líquidas.

           El grafeno, mezclado con los productos que forman el cátodo o el ánodo, no actúa negativamente sobre ellos, sino todo lo contrario: tiene un nivel de conductividad eléctrica mucho más alto que las baterías de iones de litio, por lo que las celdas se recargan más rápido y permiten entregar flujos de corrientes muy altas. No obstante, hay que tener en cuenta que actualmente esta batería no es una realidad definitiva, sino un proyecto esperanzador al que faltan por solucionar algunos problemas, ya que el grafeno es un material inestable, por lo que trabajar con el mismo no resulta sencillo. Hay que operar con cuidado para poder obtener los resultados esperados y para que sea viable usarlo en distintos productos. No son operaciones simples, por lo que se necesita tiempo y notables recursos financieros. Pero la investigación avanza y el futuro es esperanzador al respecto.

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            No quisiera cerrar esta entrada de un descubrimiento novedoso, sin hablar de otro que posiblemente nos termine siendo muy familiar dado que protege más del Medio Ambiente que su precedente, además ha sido creado en España: un molino de viento sin aspas, de modo que no solo evitará el constante zumbido provocado por ellas y la erosión que éstas causan sobre la tierra en la que se alzan, o los peligros que suponen para las aves, sino que el impacto visual quedará reducido considerablemente.

            Este autogenerador sin aspas recibe el sencillo nombre de VORTEX (de vórtices, el nombre de la empresa de Ávila) y BLADELESS (sin cuchillas o “sin aspas”, en inglés). El invento no es nuevo, pues se produjo en 2015, pero desde entonces está empezando a comercializarse y promete ser un invento muy acertado.

            A continuación dejo un vídeo que explica en detalle el invento.