Un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder ha desarrollado una nueva técnica radical que utiliza el poder de la luz solar para dividir eficientemente el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno, allanando el camino para el amplio uso del hidrógeno como combustible limpio y verde.
El equipo de la Universidad de Colorado ha ideado un sistema de energía solar térmica en la que la luz solar puede ser concentrada por una amplia gama de espejos en un solo punto de la cima de una torre central hasta varios cientos de pies de altura. La torre reune calor generado por el sistema de espejo de aproximadamente 2500 grados Fahrenheit (1350 grados Celsius), el cual a luego, pasa por un reactor que contiene compuestos químicos conocidos como óxidos metálicos, dijo el profesor Alan Weimer de CU-Boulder, líder del grupo de investigación.
Cuando un óxido de metal compuesto se calienta, libera átomos de oxígeno, cambiando la composición de un material y haciendo que el compuesto recién formado busque nuevos átomos de oxígeno, dijo Weimer. El equipo demostró que la adición de vapor al sistema - el cual es producido por el agua hirviendo en el reactor con la luz solar concentrada en las vigas de la torre- haría que el oxígeno de las moléculas de agua se adhieran a la superficie del óxido de metal, liberando moléculas de hidrógeno obteniendose con ello hidrógeno en estado gaseoso.
"Aquí hemos diseñado algo que es muy diferente de otros métodos y, francamente, algo que nadie pensó que era posible antes", dijo Weimer del departamento de ingeniería química y biológica. "La división de agua con la luz del sol es el Santo Grial de la economía del hidrógeno sostenible."
Un documento sobre el tema fue publicado en la edición del 02 de agosto de la revista Science. El equipo estaba integrado por el co-liderazgo de Weimer y el Profesor Charles Musgrave, el primer autor y estudiante de doctorado Christopher Muhich, la investigadora postdoctoral Janna Martinek, de pregrado Kayla Weston, y el ex estudiante graduado de CU Paul Lichty, así como también el ex investigador postdoctoral CU Xinhua Liang y el ex investigador de CU Brian Evanko .
Una de las principales diferencias entre el método de CU y otros métodos desarrollados para dividir el agua es la capacidad para llevar a cabo dos reacciones químicas a la misma temperatura, dijo Musgrave, también del departamento de ingeniería química y biológica. Si bien no hay modelos de trabajo, la teoría convencional sostiene que la producción de hidrógeno a través del proceso de óxido de metal requiere calentar el reactor a una temperatura alta para eliminar el oxígeno, a continuación, se debe enfriar a una temperatura baja antes de la inyección de vapor para volver a oxidar el compuesto con el fin de liberar gas de hidrógeno para su recolección.
"Los enfoques más convencionales requieren el control tanto de la conmutación de la temperatura en el reactor partiendo de una caliente a un estado fresco y la introducción de vapor en el sistema," dijo Musgrave. "Una de las grandes innovaciones en nuestro sistema es que no hay oscilación en la temperatura. Todo el proceso está impulsado por cualquiera giro de una válvula de vapor dentro o fuera."
"Al igual que cuando usted desea usar una lupa para encender un fuego, se puede concentrar la luz del sol hasta que esté muy caliente y la utilizarle para conducir estas reacciones químicas", dijo Muhich. "Si bien podemos calentar fácilmente hasta más de 1350 grados Celsius, queremos todavía calentar a la temperatura más baja posible para que estas reacciones químicas se produzcan. Temperaturas más altas pueden provocar la rápida expansión térmica y contracción, lo cual puede causar daños tanto a la química de los materiales y a los propios reactores ".
Además, la idea convencional de dos etapas para la división de agua también desperdicia tiempo y calor, dijo Weimer, también miembro de la facultad en el Instituto BioFrontiers de CU-Boulder. "Sólo hay algunas horas de luz solar en un día", dijo.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE.UU..
Con el nuevo método de la Universidad de Colorado, la cantidad de hidrógeno producido por las células de combustible o para el almacenamiento es totalmente dependiente de la cantidad de óxido de metal-que se compone de una combinación de hierro, cobalto, aluminio y oxígeno y la cantidad de vapor de agua que es introducida en el sistema. Uno de los diseños propuestos por el equipo es la construcción de los tubos del reactor de aproximadamente un pie de diámetro y varios metros de largo, llenados con el material de óxido de metal y ordenados uno encima del otro. Un sistema de trabajo para producir una cantidad significativa de gas hidrógeno requeriría una cantidad de torres altas para recoger la luz solar concentrada a partir de varias hectáreas de espejos que rodean a cada torre.
Weimer dijo que el nuevo diseño comenzó a filtrarse dentro del equipo hace dos años. "Cuando vimos que podíamos utilizar este método más simple, más eficaz, requirió un cambio en nuestra manera de pensar", dijo Weimer. "Tuvimos que desarrollar una teoría para explicarlo y hacerlo creíble y comprensible para otros científicos e ingenieros."
A pesar del descubrimiento, la comercialización de dicho reactor solar-térmico es probable que se encuentre a unos años de distancia. "Con el precio del gas natural, por debajo, no hay ningún incentivo para la combustión de energía limpia", dijo Weimer, también el director ejecutivo del Centro de Colorado para Biorefining y Biocombustibles, o C2B2.
El equipo de la Universidad de Colorado ha ideado un sistema de energía solar térmica en la que la luz solar puede ser concentrada por una amplia gama de espejos en un solo punto de la cima de una torre central hasta varios cientos de pies de altura. La torre reune calor generado por el sistema de espejo de aproximadamente 2500 grados Fahrenheit (1350 grados Celsius), el cual a luego, pasa por un reactor que contiene compuestos químicos conocidos como óxidos metálicos, dijo el profesor Alan Weimer de CU-Boulder, líder del grupo de investigación.
Cuando un óxido de metal compuesto se calienta, libera átomos de oxígeno, cambiando la composición de un material y haciendo que el compuesto recién formado busque nuevos átomos de oxígeno, dijo Weimer. El equipo demostró que la adición de vapor al sistema - el cual es producido por el agua hirviendo en el reactor con la luz solar concentrada en las vigas de la torre- haría que el oxígeno de las moléculas de agua se adhieran a la superficie del óxido de metal, liberando moléculas de hidrógeno obteniendose con ello hidrógeno en estado gaseoso.
"Aquí hemos diseñado algo que es muy diferente de otros métodos y, francamente, algo que nadie pensó que era posible antes", dijo Weimer del departamento de ingeniería química y biológica. "La división de agua con la luz del sol es el Santo Grial de la economía del hidrógeno sostenible."
Un documento sobre el tema fue publicado en la edición del 02 de agosto de la revista Science. El equipo estaba integrado por el co-liderazgo de Weimer y el Profesor Charles Musgrave, el primer autor y estudiante de doctorado Christopher Muhich, la investigadora postdoctoral Janna Martinek, de pregrado Kayla Weston, y el ex estudiante graduado de CU Paul Lichty, así como también el ex investigador postdoctoral CU Xinhua Liang y el ex investigador de CU Brian Evanko .
Una de las principales diferencias entre el método de CU y otros métodos desarrollados para dividir el agua es la capacidad para llevar a cabo dos reacciones químicas a la misma temperatura, dijo Musgrave, también del departamento de ingeniería química y biológica. Si bien no hay modelos de trabajo, la teoría convencional sostiene que la producción de hidrógeno a través del proceso de óxido de metal requiere calentar el reactor a una temperatura alta para eliminar el oxígeno, a continuación, se debe enfriar a una temperatura baja antes de la inyección de vapor para volver a oxidar el compuesto con el fin de liberar gas de hidrógeno para su recolección.
"Los enfoques más convencionales requieren el control tanto de la conmutación de la temperatura en el reactor partiendo de una caliente a un estado fresco y la introducción de vapor en el sistema," dijo Musgrave. "Una de las grandes innovaciones en nuestro sistema es que no hay oscilación en la temperatura. Todo el proceso está impulsado por cualquiera giro de una válvula de vapor dentro o fuera."
"Al igual que cuando usted desea usar una lupa para encender un fuego, se puede concentrar la luz del sol hasta que esté muy caliente y la utilizarle para conducir estas reacciones químicas", dijo Muhich. "Si bien podemos calentar fácilmente hasta más de 1350 grados Celsius, queremos todavía calentar a la temperatura más baja posible para que estas reacciones químicas se produzcan. Temperaturas más altas pueden provocar la rápida expansión térmica y contracción, lo cual puede causar daños tanto a la química de los materiales y a los propios reactores ".
Además, la idea convencional de dos etapas para la división de agua también desperdicia tiempo y calor, dijo Weimer, también miembro de la facultad en el Instituto BioFrontiers de CU-Boulder. "Sólo hay algunas horas de luz solar en un día", dijo.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE.UU..
Con el nuevo método de la Universidad de Colorado, la cantidad de hidrógeno producido por las células de combustible o para el almacenamiento es totalmente dependiente de la cantidad de óxido de metal-que se compone de una combinación de hierro, cobalto, aluminio y oxígeno y la cantidad de vapor de agua que es introducida en el sistema. Uno de los diseños propuestos por el equipo es la construcción de los tubos del reactor de aproximadamente un pie de diámetro y varios metros de largo, llenados con el material de óxido de metal y ordenados uno encima del otro. Un sistema de trabajo para producir una cantidad significativa de gas hidrógeno requeriría una cantidad de torres altas para recoger la luz solar concentrada a partir de varias hectáreas de espejos que rodean a cada torre.
Weimer dijo que el nuevo diseño comenzó a filtrarse dentro del equipo hace dos años. "Cuando vimos que podíamos utilizar este método más simple, más eficaz, requirió un cambio en nuestra manera de pensar", dijo Weimer. "Tuvimos que desarrollar una teoría para explicarlo y hacerlo creíble y comprensible para otros científicos e ingenieros."
A pesar del descubrimiento, la comercialización de dicho reactor solar-térmico es probable que se encuentre a unos años de distancia. "Con el precio del gas natural, por debajo, no hay ningún incentivo para la combustión de energía limpia", dijo Weimer, también el director ejecutivo del Centro de Colorado para Biorefining y Biocombustibles, o C2B2.
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