Los científicos que desarrollan fibras de carbono de base biológica reciben una "lluvia de solicitudes" de una versión sostenible del maravilloso material
Publicado el 26 de julio de 2021
Los científicos están trabajando en fibras de carbono hechas de biomateriales en lugar de combustibles fósiles en un intento de crear una versión que no genere emisiones de carbono.
Las fibras de carbono de base biológica podrían usarse para construir autos eléctricos livianos con una mayor autonomía de batería, según el científico senior Dr. Erik Frank.
En arquitectura, el hormigón podría reforzarse con fibras de carbono en lugar de acero, lo que permite construir estructuras ultrafinas.
"Es un material maravilloso porque es muy fuerte y, sin embargo, ligero en comparación con el metal", dijo Frank, quien es director de desarrollo de fibra de carbono y nuevos materiales en los Institutos Alemanes de Investigación de Textiles y Fibras en Denkendorf, en el sur de Alemania.
Sin embargo, "la huella de carbono de las fibras de carbono suele ser muy mala", añadió.
"Las materias primas [para la fibra de carbono regular] provienen del petróleo, pero estamos tratando de alejarnos de esto", explicó. "Las fibras de carbono de base biológica tienen una demanda mucho mayor de lo que solían ser. Estamos recibiendo una lluvia de solicitudes".
Fibras de carbono fabricadas originalmente a partir de materiales vegetales.
Las fibras de carbono son hilos increíblemente delgados de cristales de carbono casi puros. Miden solo de 5 a 10 micrómetros, son cinco veces más resistentes que el acero y dos veces más rígidos.
El material se fabricó originalmente a partir de materiales de origen vegetal que incluían celulosa y rayón, dijo Frank, hasta que el precio más bajo y el mayor rendimiento de las versiones derivadas de fósiles hicieron inviable la fibra de carbono de base biológica.
Pero el proceso de producción requiere grandes cantidades de energía y genera grandes cantidades de emisiones y toxinas. "Si queremos que las fibras de carbono sean neutras en carbono, todo esto debe ser rediseñado", dijo Frank.
Para fabricar las fibras, el petróleo se procesa primero en poliacrilonitrilo (PAN) altamente tóxico. Esto se tira en finos hilos y luego se calienta en un horno sin oxígeno.
Creciente demanda de fibras de carbono de base biológica
El proceso requiere grandes cantidades de energía y genera contaminación, ya que todo, excepto los átomos de carbono, se quema. "Hace un par de años, esto ni siquiera era un tema", dijo Frank. "A la gente solo le importan los costos".
"Hoy en día, la sostenibilidad es mucho más importante y el petróleo ya no es tan barato, así que es una historia diferente. La fibra de carbono es un componente importante en eso porque consume mucha energía".
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Frank está explorando formas de convertir la lignina, una sustancia que se encuentra en la mayoría de las plantas y que es un subproducto de la industria del papel, en fibras de carbono.
"Estamos trabajando con lignina como materia prima", explicó. "Es un subproducto de desecho que se acumula en grandes cantidades en la industria del papel. Normalmente, esto se agrega al concreto o asfalto o se incinera. Lo usamos para fabricar fibra de carbono".
"Para hacer eso, usamos métodos químicos para purificarlo y darle una buena forma", continuó. "Entonces podemos convertir esto en fibras, lo que estamos tratando de hacer directamente en agua en lugar de tener que usar solventes tóxicos. Y las fibras que se obtienen pueden convertirse directamente en fibras de carbono".
La fibra de carbono es actualmente cara e insostenible.
El rendimiento de la fibra de carbono de base biológica está "en el nivel medio a bajo" en comparación con las fibras a base de PAN, agregó. "Debo decir que las fibras de carbono de base biológica no reemplazarán a las basadas en PAN. Será sólo un segundo mercado paralelo".
La fibra de carbono se usa ampliamente para crear aviones y automóviles, así como productos de alto rendimiento, como bicicletas, raquetas de tenis y turbinas eólicas. Es extremadamente liviano, lo que significa que puede mejorar significativamente el rendimiento y reducir los requisitos de energía.
Sin embargo, es caro de producir y tiene una reputación cada vez más mala debido a su insostenibilidad.
"En la construcción de aviones, ya se utiliza como estándar", dijo Frank. "Puede marcar la diferencia en los coches eléctricos al ayudar a ahorrar peso".
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"A la industria automotriz le gustaría pasar a la fibra de carbono, pero hasta ahora es demasiado costosa y no lo suficientemente sostenible. La industria automotriz está extremadamente impulsada por el precio y busca cada vez más hacer las cosas de manera más sostenible".
El año pasado se iniciaron las obras del primer edificio de hormigón armado con fibra de carbono. CUBE, un edificio de dos pisos diseñado por Henn Architekten en la Universidad Técnica de Dresde en Alemania, se completará a finales de este año.
"Ya está sucediendo a pequeña escala que el concreto está reforzado con fibra de carbono, pero aún no está en la etapa de adopción masiva", dijo Frank. "El beneficio es que puede hacer que el concreto sea mucho más delgado al mismo tiempo que puede transportar cargas pesadas, por lo que puede diseñar formas completamente diferentes. El objetivo es alejarse de las enormes cantidades de concreto que se utilizan en la actualidad".
Las fibras de carbono de base biológica podrían ser más asequibles que las opciones a base de petróleo
El alto costo de la fibra de carbono se debe en parte al proceso de producción complejo y que consume mucha energía. Frank dijo que la producción mundial es de solo 150.000 toneladas por año.
Otro inconveniente del material es que es difícil de reciclar y desechar, aunque ahora se están desarrollando formas de reutilizarlo. "Mucha gente está innovando en este campo", dijo Frank.
"Ya hay bastantes fibras de carbono recicladas e incluso se están utilizando en productos. Por supuesto, empeoran con cada ciclo y, en algún momento, tendrán que desecharse. La quema no es una opción porque es muy difícil de quemar. La mayor parte del tiempo se almacena en minas antiguas ".
Airbus "busca fibras de carbono sostenibles"
Pero la demanda de materiales sostenibles de alto rendimiento significa que las fibras de carbono de base biológica pronto podrían ser más asequibles a medida que la investigación y el desarrollo se intensifiquen en todo el mundo.
"Todas las industrias se ven obligadas a reducir el CO2", dijo Frank. "Ya no es voluntario porque va a resultar muy caro si no lo hacen. Incluso las empresas de aviación como Airbus están buscando fibras de carbono sostenibles".
"Estamos trabajando en utilizar las materias primas de las plantas y convertirlas directamente en fibra de carbono", concluyó. "Esto significa que hemos tomado el carbono del aire a través de las plantas, en lugar de agregar carbono de fuentes fósiles como el petróleo o el carbón a la atmósfera".
Revolución del carbono
Este artículo es parte de la serie Carbon Revolution de Dezeen, que explora cómo este material milagroso podría eliminarse de la atmósfera y utilizarse en la Tierra. Lea todo el contenido en: www.dezeen.com/carbon.
La fotografía del cielo utilizada en el gráfico de la revolución del carbono es de Taylor van Riper a través de Unsplash.
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