Finalmente, cómo hacer que los viajes aéreos sean ecológicos.
Esta historia originalmente por cableado y se ha vuelto a publicar aquí como escritorio climático cooperar.
Hace algunos años, Venkat Viswanathan comenzó a sentir cierta presencia mientras conducía en un tramo de la interestatal entre Pittsburgh y San Francisco. Su viaje iba bien, casi demasiado bien, pensó. Canturreaba durante cientos de millas a la vez, deteniéndose para comer o para ver el comienzo del verano. Este es el clásico gran viaje por carretera estadounidense. Lo está haciendo en un coche eléctrico discretamente.
Viswanathan, científico de la Universidad Carnegie Mellon, es un experto en baterías de alta densidad de energía: diseños diseñados para almacenar una gran cantidad de energía en un espacio pequeño. A veces, esto implica lo que parece una química casi extraña: la inmadurez de la tecnología de las baterías. Pero después de ese verano, con las baterías completamente disponibles que lo impulsaban fuera de la carretera, comenzó a pensar en otra aplicación para su trabajo. «Yo estaba como, ‘Espera, ¿qué estoy haciendo con todas estas baterías nuevas que he inventado?'», recuerda Viswanathan. «¿Quién las va a necesitar?», se dio cuenta de que había otra forma de viajar de costa a costa, una en la que las baterías están lejos de descarbonizarse: volando.
En los últimos años, la industria de las baterías Centrado principalmente en automóviles, Producir mejoras constantes e incrementales a un método científico en particular. Esto implica que los iones de litio se muevan entre un cátodo compuesto por varios óxidos metálicos, incluidos níquel, cobalto, manganeso y hierro, y un ánodo hecho de grafito. Esta receta clásica ya está bastante buena. Recientemente, las baterías de iones de litio han aumentado la autonomía de los automóviles de pasajeros a más de 400 millas, casi tan buenas como muchos motores de combustión interna, lo suficiente como para superar la «ansiedad por la autonomía» que puede hacer que algunos conductores se muestren reacios a utilizar vehículos eléctricos. Pero a medida que las baterías de iones de litio se acercan al límite teórico de la cantidad de energía que pueden almacenar, las baterías de iones de litio aún están muy por debajo de lo que necesitan la mayoría de los aviones.
La industria de las aerolíneas ha estado lidiando con este problema durante algún tiempo. La industria contribuye con aproximadamente el 2% de las emisiones globales de carbono, un número relativamente pequeño, pero que se espera que crezca dramáticamente a medida que más y más personas en el mundo surcan los cielos. (Solo 1 de cada 10 personas vuela cada año, y Un estudio de 2018 estimó El 1% de la población mundial es responsable de la mitad de las emisiones de la aviación. ), Viswanathan cree que si estos aviones van a ser electrificados, las baterías deberán repensarse por completo. Incluso los jets regionales utilizados para saltos relativamente cortos necesitan baterías que sean livianas pero lo suficientemente potentes. Necesitan suficiente potencia para despegar y luego suficiente energía para navegar con seguridad largas distancias. Puede que nunca sea práctico, y una aviación más ecológica requerirá otros métodos, como el hidrógeno o el combustible sintético para aviones.
O repensando algunos fundamentos de la batería.El mes pasado, Viswanathan se unió a otros expertos en baterías y aviación. Publicado en la naturaleza Él ve esto como una «llamada de atención» para que la industria invierta en ciencia básica, no solo en torno a los iones de litio. En particular, los autores abogan por nuevos cátodos que utilicen materiales más exóticos, como metales que producen «reacciones de conversión» que mueven más electrones y potencialmente almacenan más energía. Es algo que la gente realmente no ha considerado desde que el cobalto comenzó a ganar en la década de 1970. Un proyecto del Departamento de Energía de EE. UU. se ha fijado el objetivo de fabricar baterías capaces de almacenar 500 vatios-hora de energía por kilogramo. Viswanathan y sus coautores argumentan que para un caballo de batalla en el cielo como el Boeing 737, debemos duplicar y necesitamos nuevos productos químicos para llegar allí. «Estamos tratando de mover los postes de la portería», dijo.
Las baterías de iones de litio son una historia de amor química. Los iones de litio y los electrones, una vez separados por una carga eléctrica, siempre buscan recombinarse. La deriva de estos electrones en la batería es lo que crea la corriente. Pero en este sentido, el litio está limitado porque solo tiene un electrón para ceder. En teoría, más electrones en movimiento significa más energía, algo que otros elementos podrían proporcionar. Pruebe con yodo, tal vez, o azufre o flúor, puede obtener más zumbido de electrones.
Pero hay un problema con este plan. Una ventaja de las baterías actuales es que los iones de litio pueden moverse de un lado a otro sin problemas. Son capturados y liberados por el cátodo, un proceso llamado intercalación, pero una vez en el cátodo, los iones no reaccionan con otros materiales y reorganizan sus arreglos atómicos. Para algunos otros elementos, este no es el caso. «Tenemos nuevos materiales que no teníamos en primer lugar», dice la científica de baterías Esther Takeuchi de la Universidad de Stony Brook.Por lo tanto, el término reacción de conversión: Estas reacciones químicas son complejas y provocan cambios electroquímicos así como cambios de volumen. Pero quizás el mayor problema es conseguir que este tipo de baterías se carguen. Una vez que haya cambiado algo dentro de la batería, es difícil volver al material anterior.
Para los tipos de baterías que usa Takeuchi, por lo general no es necesario cargarlas. Su especialidad es almacenar grandes cantidades de energía en espacios pequeños, como dispositivos médicos, que pueden durar mucho tiempo, incluso toda la vida, con una sola carga, ya que recargar o reemplazar las baterías puede requerir cirugía. Uno de sus diseños anteriores involucró vanadio, que ahora es omnipresente en los marcapasos. Pero desde entonces, su equipo ha analizado cómo los productos químicos de conversión, como el fluoruro de carbono o el yodo, podrían funcionar mejor.
Para los aviones, los mismos principios de ahorro de espacio y peso se aplican a los vuelos de larga distancia. Pero una batería con una vida útil única no es adecuada para un avión que necesita cargar cada tramo. En el laboratorio, los investigadores han tenido cierto éxito en revertir estas transformaciones, pero se han enfrentado a otros problemas. Uno de los contendientes más lejanos son las baterías de litio-azufre, una química muy deseable porque el azufre es barato y abundante. El problema es que pueden ocurrir reacciones no deseadas entre el ánodo y el azufre en el electrolito. Esto crea una acumulación química, lo que significa que la batería pierde su capacidad de cargarse con el tiempo. A veces, estas reacciones provocan incendios o la formación de una molestia llamada dendritas: vetas de material en el electrolito que se extienden gradualmente y pueden eventualmente conectar el ánodo y el cátodo, provocando un cortocircuito.
Si bien las reacciones de conversión involucran muchas químicas nuevas, Takeuchi señala que no han abandonado por completo el camino que han tomado las baterías hasta ahora.Cualquier química de cátodo nueva también dependerá del éxito de las mejoras en la capacidad de la batería a corto plazo, como nuevos ánodos hechos de materiales Excepto por el grafito.
Uno de ellos es el metal de litio. Si bien el grafito es una buena opción debido a su estabilidad, el litio metálico tiene algunas propiedades electroquímicas mejoradas y ocupa menos espacio que los diseños tradicionales. Richard Wang, director ejecutivo de Cuberg, una empresa emergente de baterías de metal de litio adquirida recientemente por el fabricante sueco de baterías Northvolt, dijo que el diseño de su empresa aumentó la densidad de energía en un 70 por ciento. Wang decidió enfocar su puesta en marcha en la industria de la aviación, ya que pondría más énfasis en mejorar la densidad de energía. La idea de la compañía es impulsar aeronaves relativamente pequeñas; se asocia con nuevas empresas que buscan construir vehículos de elevación vertical que puedan operar en distancias cortas.
Estos ánodos de metal de litio tienen el potencial de combinarse con químicas de cátodos más experimentales para impulsar aviones más grandes, pero el camino es incierto, dijo Wang. Es un pepinillo clásico: los fabricantes de aviones quieren estar seguros de que la tecnología del Gran Salto Adelante funcionará, y las nuevas empresas de baterías (y sus posibles financiadores) necesitan estar seguros de que sus experimentos finalmente serán útiles. La verdad es que los fabricantes de aeronaves pueden encontrar menos útiles los aviones electrificados más grandes, dijo Wang. Pueden decidir dejar de usar baterías que manejan rutas regionales cortas. Para rutas más largas, las baterías existentes son menos prácticas y se puede emplear un enfoque híbrido: motores de gas que toman el relevo entre el despegue y el aterrizaje, verder combustible para aviones, o posiblemente hidrógeno, si la infraestructura se soluciona junto con métodos de producción ecológicos. Nadie está seguro de dónde hacer la apuesta.
George Bye, fundador de Bye Aerospace, lo llama un «espacio en blanco» para la innovación de aviones eléctricos. Dibuja una línea continua de progreso para las baterías de iones de litio que alimentan a los aviones eléctricos pequeños, como los aviones de entrenamiento de dos y cuatro asientos que fabrica su empresa, y luego una línea discontinua para el metal de litio y otras innovaciones casi existentes, como baterías de estado sólido, que ampliará la capacidad y la distancia que pueden volar los aviones eléctricos. Bueno, después de eso, ¿quién sabe? espacio en blanco Su propia compañía había explorado el litio-azufre para aviones grandes, pero descubrió que no estaba listo para el horario de máxima audiencia. «Está un poco atrasado», dijo. Un socio que trabajaba en la tecnología quebró recientemente.
El lado positivo, dijo Bye, es que las ventajas de peso y equilibrio que vienen con el reemplazo de motores a reacción complejos con baterías significa que los aviones pueden diseñarse para moverse por el aire de manera más eficiente. Esto ayuda a ampliar el alcance y la capacidad de pasajeros. «Como a algunas personas les gusta decir, no se trata de manzanas con manzanas», dijo. La compañía también está trabajando para obtener la certificación de la FAA para su avión de entrenamiento para que pueda comenzar a entregar los cientos de pedidos que ha recibido de las escuelas de vuelo y las aerolíneas. Uno de los desafíos es demostrar que el avión puede manejar el riesgo de incendio, no solo la química, sino también el diseño estructural del paquete de baterías, y aun así realizar un aterrizaje de emergencia incluso si la batería explota.
Los grandes aviones eléctricos con baterías nuevas podrían estar a décadas de distancia. Pero Takeuchi insiste en que hay «espacio para el optimismo» para el avión a batería. «A veces la gente pregunta si esto es posible en nuestros sueños más locos», dijo. «Cuando miramos el material y los números, decimos: ‘Sí, lo es'». Ella y sus coautores señalan que el futuro de la aviación es inicialmente eléctrico. En 1884, el avión, el dirigible francés, realizó su primer vuelo de ida y vuelta utilizando la potencia de una enorme batería de cloruro de zinc. Casi un siglo y medio después, cree que los vehículos eléctricos están listos para regresar.
