Investigadores de los laboratorios nacionales Sandia y Pacific Northwest están liderando un nuevo comité para investigar cómo el hidrógeno afecta a materiales como los polímeros, el acero y el aluminio. El Consorcio para la Compatibilidad de los materiales con el Hidrógeno, o H-Mat, se centrará en estudiar cómo el hidrógeno afecta a los polímeros y metales utilizados en diversos sectores de la industria, incluidas las pilas de combustible para vehículos y la infraestructura de transporte del hidrógeno.
Este nuevo grupo de investigación forma parte de la iniciativa 'H2 @ Scale' del Departamento de Energía de Estados Unidos, que tiene por objetivo impulsar la utilización del hidrógeno para la producción y el almacenamiento de energía, así como para otras aplicaciones industriales. En este proyecto participan también investigadores de los laboratorios de Oak Ridge, Savannah River y Argonne, entre otras instituciones académicas e industriales.
Interacción del hidrógeno con materiales: un mundo aún por conocer
Este comité surge de la necesidad de conocer más a fondo el comportamiento del hidrógeno al contacto con diversos materiales, y cómo estos se ven afectados a corto y largo plazo por trabajar con dicho hidrógeno. En los materiales metálicos, por ejemplo, el hidrógeno actúa de tal forma que afecta a la composición atómica del metal, provocando daños en el mismo. Válvulas, tanques de combustible y otros recipientes de almacenamiento son los principales afectados, a pesar de estar fabricados con aleaciones de aluminio y acero bastante avanzadas y costosas.
Uno de los problemas asociados, y que es un factor importante en la industria, es la estimación de la vida útil de los componentes. Dado que los mecanismos de interacción entre el hidrógeno y estos materiales no se conocen en profundidad a escalas atómicas, la vida útil de estos componentes es difícil de estimar, lo que provoca un mayor aumento de las revisiones de los componentes y, por tanto, mayor coste de mantenimiento.
El hidrógeno afecta a los metales a través de un tipo de reacción química llamada fragilización por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno y el agrietamiento por hidrógeno en los metales pueden ser visibles a simple vista, pero estas grietas comienzan a producirse con interacciones entre el hidrógeno y un material con una longitud mil veces menor que el ancho de un cabello humano. Y se sabe poco aún sobre los efectos del hidrógeno en estas magnitudes tan pequeñas.
Y si poco se conoce de la interacción con metales, menos aún se sabe acerca de cómo el hidrógeno afecta la estructura y las propiedades mecánicas de los polímeros, presentes en las tuberías de plástico o los sellos de goma. En los polímeros, el hidrógeno puede formar burbujas de gas a presión que aumentan el estrés y provocan daños. Cada vez hay más pruebas de que el hidrógeno también interactúa con los polímeros a escala atómica, lo que puede intensificar la degradación.
Objetivo: mejorar las propiedades de los materiales y su vida útil
Es por eso que el consorcio H-Mat busca profundizar en la ciencia tras este comportamiento mediante el uso de técnicas avanzadas de imagen y la caracterización de superficies que permitan estudiar las interacciones del hidrógeno con los materiales mencionados en escalas de tamaño que van desde la atómica hasta la visible para el ojo humano. Los investigadores también están desarrollando modelos informáticos para predecir los mecanismos de estas interacciones y la evolución del daño provocado por el hidrógeno. Esas predicciones pueden ayudar a los científicos a adaptar la composición y la microestructura de los materiales para que estos resistan mejor al contacto con el hidrógeno. El objetivo final es mejorar la fiabilidad y vida útil de los materiales en toda la infraestructura y aplicaciones del hidrógeno en la industria.
Los investigadores de Sandia están estudiando el comportamiento de metales y polímeros mientras están expuestos a entornos de hidrógeno a alta presión, mientras que el equipo del Pacific Northwest National Lab lleva cabo la caracterización y los estudios experimentales de grietas y degradación en polímeros, todo ello aprovechando las capacidades de computación de alto rendimiento de su laboratorio.
Según Chris San Marchi, científico de materiales de Sandia y codirector del consorcio, "en Estados Unidos se producen actualmente alrededor de 10 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada año, principalmente para la refinación de petróleo y la producción de amoníaco. La demanda de hidrógeno está creciendo en el transporte, donde se utilizan miles de celdas de combustible en montacargas y otros vehículos." Además de lo anterior, las aplicaciones del hidrógeno están surgiendo también en otros sectores como el refinado de hierro y el almacenamiento de energía. Según los investigadores, parte de los datos de esta investigación (aquellos que no sean propiedad de alguna parte implicada) se harán públicos para acelerar la investigación y el desarrollo de la tecnología de hidrógeno.
