Combustibles metálicos para energía libre de carbono en la Tierra y la Luna

Los científicos realizaron una investigación sobre la combustión discreta, una forma de llama que salta de una fuente de combustible a otra usando polvo de hierro en gravedad cero. El producto que queda después de la combustión es el óxido de hierro, una sustancia que no produce dióxido de carbono y puede reciclarse infinitamente. Después de estos experimentos de microgravedad, se desarrollaron hornos de combustión de hierro eficientes, lo que llevó al almacenamiento de energía circular y libre de carbono. Hay una planta de demostración en los Países Bajos y muchas nuevas empresas están explorando este combustible libre de carbono para fábricas y procesos industriales. Mirando hacia el futuro, este combustible metálico también podría usarse para puestos avanzados lunares sostenibles, utilizando potencialmente minerales y hielos lunares para producir polvos metálicos para la propulsión y agua para el consumo. Crédito: Hierro+

Los investigadores utilizaron experimentos de microgravedad para estudiar la combustión discreta de polvo de hierro, lo que resultó en un almacenamiento de energía infinitamente renovable y libre de carbono. Esto tiene aplicaciones prometedoras en la Tierra y para futuros puestos lunares estables.

Todo arde. En el entorno adecuado, toda la materia puede quemarse con la adición de oxígeno, pero encontrar la mezcla correcta y generar suficiente calor hace que algunos materiales se quemen más fácilmente que otros. Los investigadores interesados ​​en aprender más sobre un tipo de fuego llamado combustión discreta utilizaron las Instalaciones Experimentales de Microgravedad de la ESA para investigar.

Durante vuelos parabólicos y cohetes de sondeo lanzados desde Suecia, un equipo del profesor Jeffrey Bergthorson de la Universidad McGill de Canadá y la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos estudió la quema de polvo de hierro en gravedad cero. Su investigación era puramente física, los científicos querían aprender más sobre la combustión discreta, donde las llamas no se queman continuamente a través del combustible, sino que saltan de una fuente de combustible a otra. Esta forma de fuego rara vez ocurre naturalmente en la Tierra, pero un ejemplo es un incendio forestal, donde un árbol se quema por completo y el fuego salta al siguiente árbol cuando la temperatura sube lo suficiente como para quemar.

Este video hipnótico de combustión discreta fue capturado durante un experimento de vuelo parabólico a bordo del avión Falcon-20 del Centro Nacional de Investigación de Canadá, que ofrece a los investigadores hasta dieciocho segundos de preciosa gravedad cero. Crédito: equipo de Perwaves

Durante los vuelos de aviones y cohetes de gravedad cero, el polvo de hierro en llamas permitió que las partículas de hierro flotaran y se encendieran discretamente. Las cámaras de alta velocidad capturaron el espectáculo y permitieron a los investigadores comprender mejor el fenómeno, lo que dio como resultado modelos informáticos que mostraban las condiciones ideales para quemar combustible en la Tierra.

¿Sabías que el hierro puede quemar? Aquí, la quema de polvo de hierro visible se lleva a cabo completamente sin humo, sin una base de carbono. Crédito: TU/e ​​/ Solid / Bart van Overbeeke

Combustión discreta para una energía sostenible

La nueva comprensión que hizo posible la investigación de la microgravedad hizo posible construir hornos de combustión de hierro eficientes y prácticos.

La ventaja de quemar hierro depende de la química. Básicamente, quemar combustible es el proceso de convertir la materia mediante la adición de átomos de oxígeno. Esta es la razón por la que los combustibles a base de carbono producen dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, cuando se agregan dos átomos de oxígeno a un combustible a base de carbono, como la madera, el carbón o el petróleo. En el caso del hierro, el producto que queda tras la combustión es el óxido de hierro, más conocido como herrumbre. No se produce dióxido de carbono y el hierro oxidado se puede recolectar fácilmente porque no forma gas; quemar hierro no emite gases nocivos en absoluto.

El óxido de hierro puede incluso tratarse para eliminar el oxígeno y devolverlo como hierro usando hidrógeno. Utilizando electricidad de fuentes sostenibles, el hierro como combustible puede convertirse en un almacén de energía circular e infinitamente renovable.

Una planta de demostración que utiliza hierro como fuente de combustible ya está funcionando en Budel, cerca de Eindhoven, Países Bajos. Este generador puede producir 1 MW de vapor en una unidad ubicada en almacenamiento. Tal planta de energía de hierro puede producir mucha más energía.

Muchas empresas emergentes ya están buscando este combustible libre de carbono para alimentar fábricas y procesos industriales.

Fábrica de demostración de hornos de hierro. 1 crédito

Del espacio a la Tierra y luego a la Luna

Mientras las agencias espaciales se preparan para construir puestos de avanzada lunares sostenibles, proporcionar energía a los astronautas en la luna es solo uno de los desafíos que deben superarse. El combustible metálico puede ser una solución. No solo se pueden producir polvos de aluminio y silicio a partir de minerales lunares con energía solar, sino que también se puede aprovechar el hidrógeno y el oxígeno del hielo lunar. Luego, el hidrógeno se puede usar para convertir el polvo lunar, que es rico en hierro y titanio, en producir agua. y polvo de hierro. Los polvos metálicos y el oxígeno del agua helada se pueden usar como propulsores para cohetes o transporte terrestre, y el subproducto del agua se puede usar incluso como agua potable.

Impresión artística del escenario de exploración de la Luna. Crédito: ESA–ATG

Este proceso puede parecer ciencia ficción ahora, pero usar hierro como fuente de combustible en la Tierra comenzó como una idea hace poco más de una década. La comunidad de combustibles metálicos ahora incluye a cientos de científicos e ingenieros en todo el mundo y es una tecnología modelo para los combustibles de carbono alternativos. En un futuro no muy lejano, es posible que esté trabajando en su automóvil o en su hogar con hierro.

Los metales se pueden producir utilizando energía limpia, como paneles solares o turbinas eólicas. Esa electricidad se almacena como energía química en polvo de metal a una densidad de energía competitiva con los combustibles fósiles. Esto tiene el potencial de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en todo el mundo, pero la implementación de esta tecnología se ve obstaculizada por el desarrollo de sistemas de combustión que pueden quemar combustibles metálicos de manera eficiente, lo que requiere una comprensión sólida de su física de combustión. Crédito: ESA- Agencia Espacial Europea