El descubrimiento del MIT que acerca el sueño imposible de los aviones eléctricos

El mercado de los vehículos eléctricos avanza con lentitud. En España, solo ha alcanzado el 5,6% de las ventas. Sumando los híbridos enchufables, llega al 11,4%, pero está claro que los consumidores aún desconfían de esta tecnología a pesar de que los avances de los últimos años han aumentado su fiabilidad. Sin embargo, mucho más lejos queda la electrificación de medios de transporte más grandes. En la actualidad, pensar en camiones, barcos y aviones eléctricos sigue siendo un escenario casi utópico o, como mínimo, un horizonte muy lejano.

Las baterías actuales tienen limitaciones técnicas que les impiden aportar la energía necesaria para mover grandes volúmenes de carga a distancias considerables de una forma mínimamente eficiente. Sin embargo, los transportes que generan más emisiones son, precisamente, los más pesados. ¿Superaremos alguna vez este obstáculo? Un prototipo de pila de combustible desarrollado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en EEUU, podría suponer el primer paso para la revolución que busca el sector. Los investigadores han presentado esta impactante innovación esta semana en la prestigiosa revista científica Joule.

El artículo explica un nuevo concepto de celda que permite transportar más del triple de energía por unidad de peso que las baterías de iones de litio utilizadas en los vehículos eléctricos actuales. Por un lado, el combustible que utiliza es sodio metálico líquido, un producto económico y ampliamente disponible. El otro lado de la pila es, simplemente, aire común, que sirve como fuente de oxígeno. Entre ambas, una capa de material cerámico sólido actúa como electrolito, permitiendo el paso libre de los iones de sodio. Finalmente, un electrodo poroso orientado al aire ayuda al sodio a reaccionar químicamente con el oxígeno, de manera que produce electricidad.

Los experimentos, liderados por el equipo de Yet-Ming Chiang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales del MIT, han resultado un éxito. Los investigadores piensan que la mejora en la densidad energética que logra su prototipo puede ser crucial para hacer viables los vuelos eléctricos a gran escala. En este sector, el peso es un factor esencial y nunca se había logrado nada parecido. “El umbral que realmente se necesita para una aviación eléctrica realista es de unos 1.000 vatios-hora por kilogramo”, afirma Chiang. Esa cifra es justo la que alcanzaría en condiciones reales la nueva pila de combustible, aunque en laboratorio llega a los 1.500, y deja muy atrás los 300 vatios-hora por kilogramo de las mejores baterías de iones de litio actuales. Según los autores del trabajo, este salto sería suficiente para los vuelos de corta duración, que suponen el 80% del total, aunque reconocen que el avance no sería aplicable a los grandes vuelos intercontinentales.

El límite de las baterías actuales

Una batería y una pila de combustible son tecnologías muy diferentes. La primera almacena energía eléctrica de forma química en su interior y funciona como un depósito cerrado: cuando se usa, va liberando energía hasta agotarse y después se recarga enchufándola a una fuente eléctrica. Por el contrario, la pila de combustible no almacena energía, sino que funciona como un generador eléctrico: produce electricidad a medida que se le suministra un combustible externo (en este caso, el sodio) y un oxidante (generalmente, oxígeno del aire). Mientras tenga combustible, puede seguir generando electricidad de forma continua.

“Las baterías de ion de litio están acercándose a sus límites teóricos en cuanto a densidad energética, es decir, la cantidad de energía que pueden almacenar por unidad de masa o volumen”, explica en declaraciones a El Confidencial David Alonso, miembro del Colegio de Enxeñeiros Industriais de Galicia y experto en energía del Consejo General de Colegios de Ingenieros Industriales. “Esto representa una barrera importante para electrificar medios de transporte de gran escala como aviones, barcos o trenes de largo recorrido”, señala.

Varias tecnologías tratan de abrirse paso para superar los límites actuales. Las baterías de iones de litio podrían ser superadas por las de estado sólido (eliminan el electrolito líquido), pero aún tienen problemas de durabilidad, fabricación y coste. Otro modelo son las de litio-azufre, pero se degradan rápidamente. Más prometedoras son lasa de metal-aire (como litio-aire o sodio-aire), extremadamente ligeras, pero están en fase de laboratorio. “Aunque estas tecnologías prometen superar la barrera actual, muchas no están listas para aplicaciones reales debido a su inmadurez tecnológica”, apunta el experto, “deben ser seguras, estables y económicas”.

Potencial «verdaderamente revolucionario»

Según Alonso, aunque el prototipo del MIT también es una apuesta inmadura, es especial porque “rompe varios límites fundamentales que han frenado hasta ahora la electrificación de medios de transporte pesados, especialmente la aviación”. Para empezar, es la primera celda de combustible funcional que utiliza sodio líquido en combinación con oxígeno del aire. “El sodio es un metal abundante, ligero y con alta densidad energética”, destaca el experto.

En lugar de recargar con electricidad, esta celda se reabastece mediante un dispositivo de sodio sólido, que se funde dentro del sistema. “Esto permite recargas mucho más rápidas”, comenta. Además, otros detalles técnicos la convierten en una apuesta prometedora. “La reacción genera hidróxido de sodio, un subproducto que puede reaccionar con el CO2 del aire formando bicarbonato de sodio, lo que abre la puerta a una operación incluso con balance de carbono negativo”, añade el ingeniero. Además, la estructura de la pila reduce el riesgo de reacciones térmicas descontroladas y, por lo tanto, de incendios.

Para David Alonso, que también es director técnico y cofundador de DIM Formación Mecánica, “se puede decir con fundamento que este prototipo del MIT tiene un potencial verdaderamente revolucionario”. No obstante, considera que también hay que añadir matices importantes, porque se trata de una revolución que ya está en marcha y que tiene importantes desafíos de ingeniería. Por ejemplo, los investigadores tendrán que aclarar cómo fabricar los dispositivos de sodio de manera industrial, segura y económica; abordar su integración en los aviones; y, probablemente, defender su viabilidad frente a otras alternativas en desarrollo, como el hidrógeno.

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Los puntos débiles

Chiang considera que el sistema debería ser bastante sencillo de escalar hasta el tamaño que permita su comercialización. Miembros del equipo de investigación ya han creado una empresa, Propel Aero, para desarrollar la tecnología. El sistema que prevén utilizaría un cartucho recargable que se llenaría con sodio metálico líquido y se sellaría. Cuando se agotara, se devolvería a una estación de recarga. Frente al codiciado litio, sería un combustible fácil de obtener, ya que el sodio se extrae de la sal. Los investigadores tienen previsto realizar una prueba de concepto con drones.

No obstante, el proyecto también tiene sus puntos débiles. Alonso considera que el manejo y la seguridad del sodio metálico es un reto importante. “Es altamente reactivo, puede arder espontáneamente o causar explosiones si no se manipula correctamente”, asegura. Aunque el diseño de celda de combustible del MIT lo aísla en un sistema cerrado que parece muy seguro, la duda surge al pensar en la logística a gran escala para su transporte y almacenaje. Por otra parte, el sistema necesita temperaturas elevadas durante su funcionamiento, lo que implica “un consumo de energía adicional” que puede “afectar a la eficiencia total, especialmente en climas fríos o durante el arranque”. Por lo tanto, todavía hay bastante incertidumbre sobre el comportamiento del prototipo en situaciones reales.

Por otra parte, poner en marcha esta revolución energética en el transporte requeriría de “una infraestructura completamente nueva” en forma de estaciones de carga, sistemas de reciclado de sodio usado, protocolos de seguridad o formación de personal. “Estas inversiones son significativas y pueden dificultar su adopción en el corto plazo”, opina el experto del Consejo General de Colegios de Ingenieros Industriales. Tampoco parece sencillo de resolver el problema de los residuos: el sodio consumido se convierte en hidróxido de sodio (NaOH), que luego debe regenerarse como sodio metálico. “Esto se logra mediante procesos electrolíticos que consumen electricidad y generan residuos secundarios”, advierte.