Una pila de combustible en su teléfono

En un parque industrial de Los Alamos, Nuevo México, no muy lejos del lugar de nacimiento del laboratorio de la bomba atómica, Robert Hockaday se sienta en el desordenado laboratorio de su empresa emergente Manhattan Scientifics, sosteniendo un parche de plástico transparente del tamaño de una tarjeta de presentación. Una inspección más cercana muestra un patrón similar a una placa de circuito de platino negro y rutenio impreso en ambos lados. El artilugio son las entrañas de una central eléctrica de cinco centímetros por 13 centímetros que genera su propia electricidad utilizando metanol como combustible. Puede que no parezca gran cosa a primera vista, pero es un miembro de una nueva clase de pequeños paquetes de energía que están listos para explotar en el mercado y que podrían aniquilar una de las tecnologías más ubicuas del mundo, la batería.



Estas plantas de energía en miniatura, llamadas micro celdas de combustible, prometen un gran aumento de potencia para los dispositivos electrónicos portátiles que van desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles y las generaciones futuras de dispositivos de mano habilitados para la Web y que consumen mucha energía. Las mejores baterías de iones de litio para teléfonos móviles de la actualidad proporcionan un promedio de solo cuatro horas de tiempo de conversación; Las micro celdas de combustible pueden proporcionar hasta 20 horas de tiempo de conversación. Y después de eso, en lugar de enchufar el teléfono celular durante la noche o cambiar las baterías, simplemente colocaría un nuevo cartucho de metanol.

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Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2001





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Las pilas de combustible, por supuesto, ya están irrumpiendo en el mercado en otras formas y en tamaños mucho mayores. Los autobuses que funcionan con pilas de combustible están haciendo su primera aparición, y los coches son los siguientes ( ver Llenarlo con hidrógeno , TR noviembre / diciembre de 2000 ). Las pilas de combustible que proporcionan energía de respaldo para hogares y oficinas también están disponibles ( ver Poder para la gente , TR mayo de 2001 ). Electrolux incluso ha creado un prototipo de una aspiradora de pila de combustible inalámbrica. Entre otras ventajas, las pilas de combustible utilizan fuentes de energía fácilmente disponibles, a saber, hidrógeno o metanol, y producen solo agua, dióxido de carbono y calor como productos de desecho.

Ahora, la industria se está preparando para fabricar celdas de combustible lo suficientemente pequeñas para la electrónica de consumo. Construir celdas de combustible prácticas, estos pequeños dispositivos que producen una décima parte de un vatio a 50 vatios, presenta enormes desafíos de ingeniería y materiales, pero la oportunidad de mercado es enorme. Las celdas de combustible portátiles tienen el potencial real de ser rentables en un lapso de tiempo más corto que las aplicaciones de celdas de combustible automotrices o estacionarias, dice Atakan Ozbek, vicepresidente de investigación energética de Allied Business Intelligence, una firma de investigación tecnológica en Oyster Bay, NY. En cinco años, este podría ser un mercado de miles de millones de dólares al año. Esta industria va a patear.

Como era de esperar, la carrera para comercializar la tecnología está en pleno apogeo e incluye a todos, desde Motorola y el gigante coreano de la electrónica Samsung hasta empresas emergentes como Hockaday's. Los competidores están apostando por diferentes diseños, e incluso químicas ligeramente diferentes, pero comparten un objetivo común: aprovechar el mercado mundial de $ 6 mil millones para baterías recargables.



Es probable que la primera aplicación exitosa sean las celdas de combustible de metanol que producen aproximadamente una décima parte de un vatio y pueden recargar baterías convencionales, liberando a los consumidores del encendedor del tablero de instrumentos o del enchufe de pared. A continuación, habrá celdas de combustible lo suficientemente pequeñas como para caber en los compartimentos de la batería de los teléfonos existentes y, sin embargo, lo suficientemente potentes (un vatio para teléfonos celulares, 50 vatios para computadoras portátiles) para usarse como energía directa.

Incluso más lejos en el horizonte, los microchips serán alimentados directamente por celdas de combustible integradas. Estas pilas de combustible contribuirán a la miniaturización al eliminar la necesidad de fuentes de energía independientes. Se diseñarán a medida para satisfacer las necesidades de energía precisas. Y los costos de producción deberían disminuir cuando tanto el chip como la fuente de energía se fabrican como una sola unidad. Los chips autoamplificados, a su vez, podrían permitir una generación futura de dispositivos autosuficientes, como pequeños sensores en red que pueden operar en áreas remotas, detectando contaminantes, toxinas de guerra biológica o cualquier otra cosa que necesite ser detectada, y enviando los datos durante meses.

Haciéndose pequeño

El problema con las baterías convencionales es que se basan en la electroquímica que data de finales del siglo XVIII y tienen algunas limitaciones severas. En particular, una vez que el suministro de productos químicos dentro de la batería ha terminado de reaccionar, la batería se agota. Debe conectarlo a un cargador enchufado a la toma de corriente o tirarlo, preferiblemente en la papelera de reciclaje, debido a los ingredientes tóxicos como el cadmio y el mercurio. Y no es probable que las baterías mejoren mucho; Prácticamente se han probado todas las combinaciones químicas, dice Shimshon Gottesfeld, director de tecnología de Mechanical Technology con sede en Albany, Nueva York, una empresa que desarrolla micro celdas de combustible. Incluso las mejores baterías tienen pocas posibilidades de aumentar mucho la potencia que pueden producir por peso, dice.



Las pilas de combustible son más complejas, pero tienen ventajas fundamentales. Mientras haya un suministro de hidrógeno o metanol, la celda de combustible producirá electricidad. Además, gracias a los combustibles de alta energía que utilizan, las pilas de combustible producen más energía por su peso que las baterías.

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Pero las pilas de combustible son difíciles de diseñar y las más pequeñas son las más resistentes de todas. Los desafíos de diseño para las micro celdas de combustible comienzan con la elección del combustible. El hidrógeno no es práctico; es un gas y debe comprimirse a presiones muy altas, e incluso entonces requiere tanques demasiado grandes para dispositivos electrónicos portátiles. Las mezclas de metanol / agua se almacenan más fácilmente en una celda de combustible pequeña, pero su uso crea nuevos obstáculos de ingeniería. Para administrar un combustible líquido, se requieren bombas y tuberías diminutas. Luego está el agua residual. Ni siquiera los usuarios más apasionados de teléfonos móviles tolerarían fuentes de alimentación que goteen sobre sus hombros, por lo que las pilas de combustible deben evaporar el agua. Todas las pilas de combustible generan calor; las versiones pequeñas funcionan a temperaturas entre 15 grados C y 60 grados Celsius. Si bien esto proporciona un medio para evaporar las aguas residuales, también requiere el equilibrio adecuado de aislamiento y ventilación.

Acoplar todo esto en un paquete ingenioso del tamaño de un par de pilas AA presenta un verdadero desafío. Y dada la feroz competencia para comercializar una micro celda de combustible, la mayoría de los actores corporativos son cautelosos sobre cómo han comenzado a resolver estos problemas. Hay muchas posturas entre las empresas, pero eso es lo que cabría esperar en las primeras etapas mientras intentan mantener sus posiciones, dice el observador de celdas de combustible Chris Dyer, editor del Journal of Power Sources. Pero, agrega, esto no es humo y espejos. Es una tecnología real y solo requiere un poco de ingeniería inteligente para que funcione.

La mayoría de los observadores predicen que la primera micro celda de combustible en los estantes de las tiendas será un dispositivo de carga que usa metanol. Media docena de empresas están trabajando en variaciones sobre este tema, incluida Manhattan Scientifics. En el diseño de Hockaday, los componentes de la celda de combustible no están dispuestos en una pila, como las celdas de combustible automotrices tradicionales. Más bien, se colocan uno al lado del otro, como los componentes de un microprocesador, lo que los hace aptos para las técnicas de fabricación de semiconductores.

Mechanical Technology ya ha cofundado una empresa que vende plantas de energía de pila de combustible comerciales y residenciales del tamaño de un refrigerador. Ahora, Mechanical Technology está poniendo su mirada en cosas más pequeñas, comenzando con los dispositivos de carga. Somos muy optimistas sobre las perspectivas de comercializar esto, dice Gottesfeld de Mechanical Technology, ex director del programa de investigación de celdas de combustible del laboratorio de Los Alamos. No solo buscamos cargadores, sino un sistema completo para teléfonos móviles. También estamos analizando otras posibilidades como las computadoras portátiles, el mercado de los juguetes y las herramientas eléctricas.

Motorola y la coreana Samsung también están desarrollando activamente prototipos. Hyuk Chang, investigador principal del Instituto de Tecnología Avanzada de Samsung en las afueras de Seúl, dice que el objetivo de la empresa es demostrar modelos de trabajo en un año, nuevamente con dispositivos de carga a la cabeza. Creo que llevará otros dos años pasar del laboratorio a las manos de los clientes, dice Chang. La pregunta difícil es cuál será la primera aplicación.

En Motorola, el líder del proyecto de pilas de combustible, Jerry Hallmark, está siguiendo una estrategia que promete cartuchos de combustible más pequeños. Él dice que la compañía ha desarrollado pequeños sistemas de fluidos que reciclan continuamente el agua en la mezcla de combustible de agua y metanol. Los cartuchos de repuesto solo pueden transportar metanol sin diluir. La celda de combustible no puede funcionar con metanol concentrado; necesita una solución diluida. Pero no quiere llevar un combustible diluido, dice. Hallmark agrega que es probable que a cualquier empresa, incluida Motorola, le lleve de tres a cinco años comenzar a vender un producto.

Hacer un puñetazo

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Sin embargo, lo que Motorola y las otras compañías quieren sobre todo son celdas de combustible similares a baterías que se colocan directamente en los teléfonos y otros dispositivos electrónicos para alimentarlos directamente. El teléfono celular es uno de los más difíciles, porque a la gente le gustaría reemplazar su batería por una celda de combustible del mismo tamaño. Me encantaría poder dárselo, pero estamos muy lejos de tener algo así, dice Hallmark.

Para hacer realidad esta visión, las empresas están siguiendo diversas estrategias. Medis Technologies, con sede en la ciudad de Nueva York, cree que puede fabricar una celda de combustible que podría reemplazar la batería del teléfono celular, proporcionando 20 horas de tiempo de conversación con el teléfono celular y cientos de horas en espera con un solo cartucho de combustible. Robert K. Lifton, director ejecutivo de Medis, dice que la compañía está utilizando un electrolito líquido patentado que puede operar con concentraciones más altas de combustible y proporcionar correspondientemente más energía que las alternativas convencionales. Pero Medis no dice exactamente cómo funciona. Tenemos alrededor de 17 patentes registradas y estamos esperando obtenerlas antes de discutir los detalles, dice Lifton. Sin embargo, la estrategia empresarial no podría ser más sencilla: es el enfoque de la hoja de afeitar. La recompensa para nosotros serían las recargas, a aproximadamente $ 1 por recarga, explica Lifton. Dice que Medis tendrá un prototipo a finales de este año.

Otra estrategia consiste en transportar metanol como combustible y luego convertirlo en hidrógeno cuando sea necesario. Debido a que el hidrógeno contiene más potencia en peso que el metanol, el esquema podría producir celdas de combustible más potentes y eficientes. Robert Savinell, profesor de ingeniería química en la Universidad Case Western Reserve, está tratando de construir una celda de combustible tan pequeña; hasta ahora, su grupo ha construido un prototipo de 25 centímetros cuadrados.

La conversión química de metanol en hidrógeno, a menudo llamada reformado por los ingenieros, es tecnológicamente lo suficientemente simple, excepto cuando intenta hacerlo en un dispositivo del tamaño de una miniatura. La gente ha construido reformadores a gran escala para aplicaciones de kilovatios, por lo que la pregunta no es si funciona. La pregunta es si puede hacerlo lo suficientemente pequeño para que quepa en un teléfono celular o una computadora portátil, dice Hallmark de Motorola.

Chip de potencia

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Más allá del día en que la electrónica venga con celdas de combustible integradas en lugar de baterías, se avecina otra frontera tecnológica: construir celdas de combustible directamente en chips. El grupo de Savinell en Case Western ya ha construido un prototipo de solo 1,5 centímetros por dos centímetros. Su grupo utilizó técnicas de microfabricación para imprimir de cinco a seis capas de componentes de la pila de combustible (la membrana, el electrodo y el catalizador) sobre obleas cerámicas y de silicio y, más recientemente, sobre un material polimérico flexible. A esta escala, está usando hidrógeno como combustible, almacenado como borohidruro de sodio y liberado con un catalizador de platino. La esperanza es proporcionar energía a un chip con un sensor y un transmisor, un dispositivo totalmente autosuficiente, dice Savinell.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, MIT, la Universidad de Stanford y Sandia National Laboratories en Livermore, CA, también están trabajando en la construcción de celdas de combustible a escala de chip. Para hacer que estos dispositivos funcionen con metanol de fácil almacenamiento, Paul A. Kohl, profesor de ingeniería química en Georgia Tech, está fabricando pequeños canales en silicio a través de los cuales pueden pasar el metanol y el agua. Estos canales podrían crearse en una línea de montaje de chips de silicio convencional. Puede diseñar la celda de combustible para que suministre exactamente la potencia que desee y tenga el tamaño que desee, dice Kohl.

Más allá de reducir las celdas de combustible a la escala de chips, otro objetivo a largo plazo es permitir que las celdas de combustible aprovechen directamente la energía del hidrógeno, pero evitando los tanques de alta presión. Un enfoque ambicioso haría uso de nanotubos de carbono: moléculas de carbono en forma de tubería que tienen la capacidad de almacenar y liberar hidrógeno. Los investigadores imaginan nano botes llenos de hidrógeno que podrían mantener las celdas de combustible en funcionamiento, pero esto requerirá avances en materiales y métodos de fabricación, dice Michael Heben, líder de un grupo de materiales nanoestructurados en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. En Golden, CO. Podría ser que alguien se dé cuenta de esto en la próxima semana, o podría llevar 20 años, dice.

Los resultados más creíbles y reproducibles hasta la fecha, dice David Tomanek, profesor de física en la Universidad Estatal de Michigan, fueron logrados por Mildred Dresselhaus, física del MIT, y colegas de la Academia China de Ciencias, quienes informaron haber encontrado una manera de almacenar nanotubos de carbono. 4,2 por ciento de su peso en hidrógeno. Eso puede ser suficiente para las micro celdas de combustible, dice Tomanek. Será más liviano, más pequeño y más seguro que un tanque, incluso al cuatro por ciento, y esto podría lograrse en un par de años. Pero soy optimista, dice. La propia Dresselhaus es más cautelosa: por el momento, no tenemos la varita mágica. Tenemos una apertura que dice: 'Esto es algo que hay que buscar'. Aún falta el siguiente paso. Ese próximo paso podría llegar dentro de esta década, agrega, pero necesitamos lograr un gran avance.

Otros gigantes de la electrónica también están experimentando con moléculas de carbono para mejorar las micro celdas de combustible. NEC ha informado del uso de moléculas en forma de cuerno conocidas como nanocuernos de carbono como sustrato para los catalizadores de platino, lo que proporciona más superficie para reacciones químicas más fuertes y más potencia. Y Sony dice que está utilizando moléculas de carbono con forma de balón de fútbol conocidas como fullerenos, los componentes básicos de los nanotubos de carbono, para construir mejores electrolitos.

Mientras tanto, las primeras micro celdas de combustible se están acercando rápidamente al mercado. Por supuesto, los prototipos necesitan un ajuste fino continuo para asegurarse de que no se produzcan fugas de combustible y aumentar su eficiencia. Pero estos obstáculos son relativamente menores, dicen los observadores de la industria. Después de todo, las baterías también tenían su parte de problemas de desarrollo. Las primeras baterías de litio de alta energía tendían a incendiarse e incluso a explotar. Como sabe cualquier propietario de un teléfono celular, esos problemas se resolvieron.

Hay muchas razones (de hecho, con un valor aproximado de $ 6 mil millones) para sugerir que sucederá lo mismo con las micro celdas de combustible, poniendo estos extraordinarios paquetes de energía en los bolsillos de millones de consumidores. De hecho, a medida que las microcélulas de combustible emergen de laboratorios abarrotados como el puesto de avanzada de Manhattan Scientifics en Los Alamos, es posible que coloquen baterías, con su energía limitada y sus dolores de cabeza por la eliminación de desechos de metales pesados, en la papelera de reciclaje de la tecnología.

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