A medida que el mundo dirige su atención a los vehículos eléctricos como reemplazo de los automóviles y camiones que funcionan con gasolina, algunos vehículos, como los camiones de larga distancia y los aviones, necesitarán un puente entre la gasolina y la electricidad. El gas natural es una alternativa viable, está ampliamente disponible y se quema de forma más limpia que la gasolina. Incluso hay kits de conversión ya disponibles para permitir que los autos o los camiones de larga distancia funcionen con gas natural, dice Adam Matzger, profesor de química de la Universidad de Michigan (U-M).
“El gas natural está en todas partes, y se lo ve como una especie de combustible trampolín de la gasolina a la electricidad o al hidrógeno. El principal problema que tiene es el almacenamiento. El costo es bueno. La distribución es buena. El almacenamiento es el problema”, dijo.
Matzger, que estudia un material llamado estructuras metalorgánicas (MOF), pensó que estas MOF tenían un potencial sin explotar para almacenar metano, el componente más grande del gas natural. Las MOF son estructuras rígidas y porosas compuestas de metales unidos por ligandos orgánicos. El metano se puede almacenar dentro de una MOF a través de un proceso llamado adsorción. En la adsorción, las moléculas de una sustancia se adhieren a la superficie de un material haciendo posible el almacenamiento a bajas presiones.
Matzger trabajó con Alauddin Ahmed, científico investigador asistente en ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería de la U-M, para escanear casi un millón de MOF que ya se desarrollaron para encontrar materiales que puedan tener las características adecuadas para almacenar metano. Encontraron dos que no habían sido probados previamente, uno de los cuales casualmente había sido creado en el laboratorio de Matzger. Sus resultados se publican en Angewandte Chemie, una revista de la Sociedad Química Alemana.
El problema con el gas natural es que debe almacenarse a una presión muy alta, unas 700 veces la presión atmosférica. Almacenar gas natural bajo este tipo de presión requiere equipo especializado y una gran cantidad de energía.
“Hay otra pequeña vuelta de tuerca, que es que si realmente lo vas a usar en un vehículo, no vas a tomarlo de la alta presión y reducirlo a cero. Porque cuando la presión es demasiado baja, no puedes operar el motor del vehículo. Por lo tanto, en realidad debe observar la capacidad utilizable”, dijo Matzger.
Para hacer que el metano sea utilizable, los científicos necesitaban encontrar el mejor material que pudiera almacenar metano a una presión más baja, pero que también pudiera subirlo al nivel de presión que necesita el motor del vehículo. Eso significó un ciclo entre 80 veces la presión atmosférica y aproximadamente cinco veces la presión atmosférica.
“La idea es que al tener un adsorbente en un tanque, puede almacenar más metano a presiones más bajas de lo que podría sin el absorbente porque ayuda a retener el metano a presiones más bajas. Entonces, el problema se reduce a elegir un adsorbente, y aquí es donde la teoría realmente vino al rescate”, dijo Matzger.
El científico Ahmed se especializa en el desarrollo de algoritmos para predecir las propiedades de los compuestos químicos y los materiales nanoporosos, materiales como las MOF que tienen la capacidad de almacenar moléculas, y en el uso de la detección computacional para identificar materiales nanoporosos particulares. Desarrolló un método para examinar una base de datos maestra de 1.000.000 de MOF que compiló a partir de 21 bases de datos diferentes.
«La importancia de este material es que, desde el punto de vista de la química, se puede diseñar una cantidad infinita de estas MOF. Entonces la pregunta es, si el número es infinito, ¿cómo encuentras un buen material? Es como encontrar una aguja en un pajar; en realidad, es más difícil que eso”, dijo Ahmed.
Ahmed usó dos métodos diferentes para detectar dos clases diferentes de MOF. Una clase de MOF tiene lo que se llama un sitio de metal cerrado. Otra clase de MOF tiene un sitio de metal abierto, pero solo una vez que los investigadores limpiaron computacionalmente las moléculas de agua dentro de la estructura de estos MOF.
Los investigadores de la U-M pudieron buscar MOF con un lado de metal abierto, más atractivo para las moléculas de metano, basándose en un algoritmo desarrollado por Don Siegel, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas.
“Anteriormente, cuando los investigadores buscaban MOF para almacenar metano, no separaban estas dos clases de MOF. La ventaja de nuestro modelo es que tenemos dos modelos separados. Separamos esos compuestos con sitios metálicos cerrados de aquellos con sitios metálicos abiertos, que tienen una mayor afinidad por esas moléculas de metano”, dijo Ahmed.
El equipo encontró tres MOF que funcionarían bien para almacenar metano, uno de los cuales el laboratorio de Matzger había desarrollado coincidentemente. El becario postdoctoral Karabi Nath pudo sintetizar los materiales con un área de superficie alta y descubrió que sus capacidades experimentales de metano coincidían con lo que la teoría había predicho. Los MOF, UTSA-76, UMCM-152 y DUT-23-Cu, funcionan bien porque tienen muchos poros pequeños que pueden atraer moléculas de gas al interior.
Matzger imagina un tanque dentro de un camión lleno de estas MOF. Actualmente, los automóviles y camiones convertidos para funcionar con gas natural utilizan tanques costosos diseñados para almacenar gas por debajo de 10.000 libras por pulgada cuadrada, o PSI. En cambio, los conductores podrían usar un tanque de menor presión lleno de UMCM-152 o uno de las otras dos MOF identificadas.
“Lo que distingue a este estudio es que establecimos el récord de almacenamiento de metano. Estas MOF son mejores que cualquier otro material de almacenamiento de metano identificado previamente, y eso nos ayuda a determinar si nos estamos acercando a un sistema práctico. Pero lo que sigue haciéndome reír es que una de las MOF ideales estaba justo delante de nuestras narices y no lo sabíamos. Ahí es donde la teoría, sin duda, nos puso en la dirección correcta”, dijo Matzger.
Fuente: Universidad de Michigan
