Forma

Mar 03, 2024

Un prototipo de motor de calor residual funciona haciendo circular agua fría y caliente a través de sus pistones.

Hace media década, un científico, un ingeniero y un hombre de negocios se reunieron en un patio trasero de Dublín para realizar un experimento. Calentaron agua en una tetera eléctrica y luego la vertieron en un segmento dividido de tubería. En el fondo del medio tubo había un trozo de alambre y uno de los hombres sostenía una regla al lado. A medida que el agua caliente fluía a través de la tubería, el cable se acortaba varios centímetros; cuando le echaron agua fría, volvió a su longitud original. El trío pensó que podrían estar en algo grande.

El extraño cable transformador que probaron estaba hecho de un material llamado aleación con memoria de forma. tales metales(y algunos no metales) cambian dentro y fuera de formas predeterminadas cuando se los somete a ciertas temperaturas o a presión o estímulos eléctricos. Inventada hace 60 años, la aleación con memoria de forma se ha utilizado en campos como la biomedicina y la ingeniería aeronáutica. Pero una de sus aplicaciones más obstinadamente esquivas es la obtención de energía a partir del agua caliente. Ahora, esos ex experimentalistas de traspatio, fundadores de una empresa llamada Exergyn, dicen que han creado un motor que utiliza alambre transformador y agua caliente sobrante de procesos industriales para generar electricidad.

Según algunas estimaciones, alrededor de un tercio de la energía utilizada por la industria en Estados Unidos se pierde en forma de calor. "Se desperdicia mucha energía en los procesos industriales o durante el intercambio de calor, cuando se utiliza agua para enfriar maquinaria o plantas de energía", dice Rigoberto Advincula, profesor de ciencia macromolecular en la Universidad Case Western y experto en calor residual que no está conectado a Exergyn. El agua calentada producida como subproducto de aplicaciones industriales, incluida la generación de electricidad, no está lo suficientemente caliente como para producir vapor que pueda alimentar un motor para hacer funcionar un generador.

Algunas plantas de energía y usuarios industriales envían sus aguas residuales calientes a través de motores secundarios, que convierten un pequeño porcentaje de la energía de esa agua en electricidad mediante un proceso llamado ciclo orgánico de Rankine. Sin embargo, esta tecnología requiere productos químicos para generar energía a partir del agua calentada. Algunos de los mejores productos químicos para hacer esto son peligrosos o dañinos para el medio ambiente y, por lo tanto, a menudo están prohibidos o restringidos. Los productos químicos más limpios no extraen energía de las aguas residuales con tanta eficacia. Esto se suma a los costos operativos de hacer funcionar estos motores, lo que significa que no siempre son rentables, según Jonathan Koomey, profesor de sistemas terrestres en la Facultad de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Stanford, que no está asociado con Exergyn.

Aquí es donde entran en juego los cables transformadores. Las aleaciones con memoria de forma tienen propiedades moleculares únicas: cambian entre formas predeterminadas dependiendo de sus temperaturas. Es por eso que este material es el corazón del nuevo motor de Exergyn, que utiliza nitinol, una variación de la aleación con memoria de forma original. "El nombre representa el hecho de que es una aleación de níquel (Ni) y titanio (Ti) y NOL se refiere al [antiguo] Laboratorio de Artillería Naval, donde se inventó el nitinol", dice Preston MacDougall, profesor de química en Middle Tennessee. State University, que no está conectada a Exergyn.

A escala molecular, el nitinol es extrañamente ordenado. “La mayoría de las aleaciones no tienen una estructura real a nivel molecular. Son como soluciones de metales, a diferencia de la disposición ordenada dentro de algo como un cristal de sal o un diamante”, dice MacDougall. Las moléculas de Nitinol, sin embargo, forman cuboides regulares con ángulos de 90 grados. Bajo el microscopio, dice MacDougall, parece un montón de cajas de zapatos apiladas..Calienta esas moléculas y se reorientan ligeramente (los ángulos rectos se vuelven agudos u obtusos) de modo que el material se contrae.Enfríe el material y las moléculas recuperan sus ángulos rectos, y la aleación con memoria de forma vuelve a su tamaño y forma originales.

El motor de Exergyn aprovecha este comportamiento de cambio de forma para convertir el agua del calor residual en electricidad. Sus desarrolladores dicen que el motor podría instalarse en un sistema de plomería de calor residual, donde haría circular agua caliente hacia sus cámaras de pistón cilíndricas. Cada pistón está unido a un alambre de nitinol. "A medida que entra el agua caliente, [el cable] se contrae una cantidad relativamente pequeña, pero lo hace con mucha fuerza", dice Alan Healy, director ejecutivo de Exergyn. Luego, el motor hace circular agua fría hacia la cámara del pistón. El nitinol se expande y el pistón vuelve a salir. Del otro lado del pistón hay un fluido viscoso. El pistón en movimiento empuja el fluido a través de una transmisión hidráulica que hace girar un generador, generando electricidad. “Utilizar las propiedades de estos materiales para generar energía suena contradictorio, pero no es único”, dice Advincula. Después de todo, los científicos inventaron las aleaciones con memoria de forma hace más de medio siglo, y los ingenieros han reconocido desde hace mucho tiempo que estos materiales tenían potencial para recolectar energía.

En la década de 1970, un ingeniero mecánico llamado Ridgway Banks, que trabajaba en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, desarrolló un motor de aleación con memoria de forma que, en su opinión, ahorraría a la industria energética y a otros sectores miles de millones en costos de energía. Los bancos patentaron el motor, pero nunca revolucionó el sector energético como esperaba. Su tecnología era compleja y requería demasiados productos químicos, y los cables transformadores se desgastaban demasiado rápido para ser prácticos.

Pero académicos e ingenieros mantuvieron viva la idea en revistas y laboratorios de todo el mundo. En 2010, General Motors se asoció con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada – Energía del Departamento de Energía de EE. UU. para inventar una serie de tecnologías de recuperación de calor residual, incluidas algunas basadas en aleaciones con memoria de forma. Hasta ahora, sin embargo, GM sólo ha utilizado aleaciones con memoria de forma para reemplazar erratas mecánicas más complicadas en sus vehículos, como un dispositivo que facilita el cierre del maletero de un Corvette.

Exergyn no pretende ningún avance tecnológico importante. Healy dice que la compañía aplicó su capacidad intelectual a varias décadas de investigación existente para crear cables de nitinol más duraderos, aunque exactamente cómo modificaron la fórmula es información de propiedad exclusiva. Este avance era necesario, según Healy, porque la aleación con memoria de forma se desgasta después de una cierta cantidad de transformación. Reemplazar los cables a gran escala es molesto y costoso: importantes impedimentos para que un motor esté listo para el mercado. "Hace un par de años, lo máximo que alguien había logrado era un millón de ciclos", dice. "Tenemos más de 10 millones de ciclos en nuestro cable". Healy dice que está mirando a la industria del biogás para sus primeros clientes. "Pero no faltan aplicaciones potenciales", añade. "Algunas empresas alimentarias reciben calor residual al limpiar su maquinaria o hay centros de datos que utilizan agua para enfriar sus servidores".

Aún así, Exergyn aún no ha demostrado su eficacia. Una empresa que compre uno de los motores de Exergyn querrá saber que la tecnología se amortizará sola después de un período de tiempo determinado, mediante ahorros en la factura de electricidad de la empresa. "Un punto de referencia sería observar el coste medio de la electricidad para los clientes industriales", afirma Koomey. Exergyn también competirá con los motores orgánicos de ciclo Rankine que las empresas ya utilizan para recuperar energía del calor residual, sobre los cuales Exergyn podría tener una ventaja inherente, según Koomey. "Algo con muchas piezas móviles y fluidos esotéricos [como el motor orgánico de ciclo Rankine] probablemente será mucho más caro que un motor que sólo utiliza metal que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el agua", señala. "Pero la prueba está en el dispositivo".

Por el momento, esa prueba es todavía un prototipo en las oficinas de Exergyn en Dublín. Es capaz de bombear más de cinco kilovatios de electricidad; 24 horas de esa cantidad alimentarían a cuatro hogares estadounidenses durante un día. Las primeras pruebas de campo reales se realizarán el próximo año, cuando Exergyn dedicará una gran parte de los 9 millones de dólares que recaudó de inversores y subvenciones a la instalación de motores de prueba de 10 kilovatios en varias plantas de biogás en Dublín. Healy cree que las pruebas finalmente mostrarán un camino rentable hacia la eficiencia energética. "Las empresas no harán lo correcto", afirma, "a menos que les brinden [una] opción que les ahorre dinero".

Robert Lea y SPACE.com

Arthur Allen, Rachana Pradhan, David Hilzenrath y Kaiser Health News

Meghan Bartels

Mariana Lenharo y la revista Naturaleza

Tanya Lewis, Jeffery DelViscio y Alexa Lim

Roy E. Plotnick, Brendan M. Anderson, Sandra J. Carlson, Advait M. Jukar, Julien Kimmig y Elizabeth Petsios | Opinión