Sustitutos y nuevos materiales de fabricación

10 de abril, 2015 4
El ser humano es como un gran rompecabezas donde cada pieza ocupa su lugar. La lógica es lógica y la ilógica también tiene su lógica aunque... [+ info]
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Últimamente se viene hablando mucho del aluminio como sustituto del acero así como del grafeno como un nuevo material con innumerables aplicaciones. Por ello, he decidido realizar una prospección inicial que espero sea el punto de partida para un análisis del mercado y del entorno.

En primer lugar y antes de empezar, quisiera agradecer a Javi Robles por inspirar este artículo y por su acertado comentario sobre la conveniencia de explorar los productos llamados sustitutivos, entre los que podemos englobar tanto materiales incorporados hace ya tiempo a nuestras vidas como materiales de nuevo cuño.

Tras este inciso, empezaré con materiales más básicos y conocidos para, finalmente, terminar con el grafeno que, a tenor de las maravillas que se comentan en algunos medios, parece ser el maná del siglo XXI y aquél que brilla más allá del firmamento a pesar de su origen más humilde y negro.


Acero

Material nacido de la fusión de hierro y carbón, su origen se remonta al 3.000 a.C. según algunos estudios arqueológicos. Este material ha sido utilizado para un sinfín de propósitos, desde la fabricación de armas de fuego hasta la construcción del casco de los barcos, automóviles, utensilios, moldes, mecanizado, etc.

Poco hay por descubrir sobre el acero que no conozcamos ya. Es un buen conductor de electricidad y calor y en comparación con el aluminio resulta más fácil de reciclar y tiene una mayor dureza superficial. Hoy en día, está presente en la mayor parte de cuanto nos rodea.

El crecimiento de la demanda se disparó en la revolución industrial ya que era el material con el que se fabricaban nuestros sueños de máquinas aumentando la productividad, un revolución del transporte y fábricas que prometían una época de esplendor y abundancia, todo hecho con retazos de hierro. En nuestros días, es un material imprescindible para muchísimas industrias y en la fabricación en general.

La producción mundial de acero bruto en 2014 alcanzó los 1.662 millones de toneladas.

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Aluminio

Existe cierta controversia en relación a quién atribuir la "invención" del aluminio y esta controversia viene del hecho del grado de pureza logrado como resultado de los procesos desarrollados por Hans Christian Oersted. En 1825, el Sr. Oersted logró sintetizar aluminio pero éste no era totalmente puro. En 1827, Friedrich Wöhler consigue obtener aluminio gracias a la reducción del cloruro de aluminio y con el uso de potasio, aunque contiene óxidos y otras impurezas. En 1845, mejora el proceso logrando eliminar las suficientes impurezas como para considerarlo aluminio y presentar las características del mismo. Finalmente, en 1888Charles Martin Hall produce el primer aluminio comercial en la fábrica de la compañía Pittsburgh Reduction Company, conocida actualmente como Alcoa. Los precios se redujeron a una sexta parte en sólo cinco años. Hasta entonces, el aluminio era un artículo de lujo con un elevado precio debido al coste de producción pasando a ser un material más asequible.

Entre sus características más destacables se encuentra su resistencia a la corrosión y oxidación, su peso (alrededor de un tercio del peso del cobre o acero), su condición de material no magnético, su nula toxicidad, impermeabilidad y alta capacidad para ser reciclado en un 100% sin pérdida de propiedades. No es sorprendente que sea el metal más utilizado después del acero ya que ofrece prácticamente todas las características del acero con la ventaja del peso y la resistencia a la corrosión y oxidación. Para hacernos una idea de la durabilidad del material, algunos análisis estiman que alrededor del 75% de todo el aluminio producido a lo largo de su existencia sigue en uso.

Método de obtención

Desde el principio el problema fue encontrar un método para extraerlo de manera rentable en cantidades industriales. La extracción de bauxita era costosa y difícil. Alcoa lo encontró.

Actualmente, la extracción se realiza a partir del mineral conocido como bauxita por electrólisis sucesivas.

Principal talón de aquiles

La principal desventaja del aluminio reside en la elevada cantidad de energía eléctrica requerida, lo que aumenta los costes de producción. No obstante, tiene un bajo coste de reciclado y, por tanto, una vida útil larga. El reciclado supone ahorro energético del 95% frente a la obtención de aluminio por primera vez.

Usos

* Sector de electricidad: El transporte de electricidad es más eficiente con aluminio que con cobre.

* Sector de comunicación: Antenas para televisión y satélites.

Industria automovilística: Por razones económicas. Piezas fundidas y perfiles de extrusión como pistones, ruedas, cajas de transmisión, conjuntos de suspensión, radiadores, y estructuras o carrocerías..

La ligereza, reducción del peso del vehículo de hasta en un 30% (ahorro de combustible y menor porcentaje de polución).

* Sector ferroviario: Aluminio en locomotoras. Se logra un ahorro de energía gracias a que el aluminio es un material  ligero.

* Edificación y construcción: Su uso es mayoritario en España entre los metales. Estructuras de ventanas y puertas.

* Alimentación: Latas, papel de aluminio, tetra brick,. Protegen contenido durante largos periodos y evitan la toxicidad ya que el aluminio frente al acero es no tóxico. En 2006, dos de cada tres latas de bebidas se reciclaron.

* Medicamentos: En los propios envoltorios.

Aluminio vs Acero
CaracterísticasAluminioAcero
Densidad2.700 kg/m37.850 kg/m3
CorrosiónResistencia a la corrosión y 
oxidación
No resistente a la corrosión y 
oxidación (salvo acero inox,)
MagnetismoNo
Conducción calor y
electricidad
Vida útilMásMenos

La producción mundial de aluminio en 2014 superó los 50 millones de toneladas.

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Polietileno de alta densidad y baja densidad

Los plásticos cada vez son más apreciados en la industria del automóvil, sustituyendo en muchos casos al acero. Sin embargo, me voy a centrar en un tipo de plástico muy concreto, el polietileno de alta densidad, un material usado para la fabricación de tanques y grandes recipientes más ligeros, fuertes y baratos que sus homólogos del metal. Este material consiste en resinas de polietileno.

Las ventajas principales son:

- Ligero

- No altera las propiedades (olor y sabor) del producto (agua, alimentos....) que almacena ni lo contaminan.

- Resistentes a corrosión.

- Resistencia a rotura, sin grietas ni fugas.

- Facilidad en instalación, transporte y mantenimiento.

Uso

* Envases del sector de alimentación

Botellas de agua, envases de margarina, bolsas de basura (baja densidad)...

* Almacenamiento

Tanques de almacenamiento, contenedores de basura...

* Tuberías

Para conducir el agua o cualquier otro elemento.

* Juguetes

En 2007 se calculaba que un tercio de los juguetes están fabricados con este material.

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Fibra de carbono

Se obtiene uniendo fibras sintéticas (hilos de carbono, polímero convertido en fibra) con resinas. El proceso de fabricación puede durar incluso meses dependiendo de la calidad buscada ya que existen muchas clases de fibra de carbono.

Entre sus características destaca su ligereza, baja densidad (4,5 veces menor que el acero), su aislamiento y su resistencia tanto física (tres veces superior al acero y resistente a corrosión, fuego y química) como temporal.

Uso

* Sector de automoción: Se utiliza fibra de carbono reforzada para reducir el peso de los vehículos y, por tanto, también el gasto en combustible y la contaminación generada.

* Sector aviación: Aviones de la compañía Boeing están empleando este material.

* Artículos de gama alta y alto rendimiento: Desde esquís hasta cañas de pescar, bicicletas o palos de golf.

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Fibra de vidrio

Material apropiado para obras cerca del mar o del agua al ser inmune a la corrosión. Por ello, se considera que puede ser un sustituto del acero con cemento (o similares) en el sector de la construcción.

Uso

* Construcción: Morteros de cemento, sustituto de amianto, decoración...

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Grafeno

Conocido desde los años 30, fue en 2004 cuando los rusos Novolesov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente obteniendo gracias a ello el Nobel de 2010 y demostrando incorrecta la teoría imperante hasta ese momento de que era un material demasiado inestable para su uso. El grafeno se forma mediante la obtención de una estructura atómica de carbono puro en forma de celdas hexagonales con un espesor de un sólo átomo y unida con enlaces covalentes, estructura perfecta que exhibe una simetría. Se obtiene del grafito, que ya se utiliza para fabricar la mina de los lápices. Entre sus característica podemos destacar que es muy ligero, flexible, duro como el diamante, resistentemuy buen conductor de electricidad (cien veces mejor que silicio y el cobre) y calor y, por último, muy estable en condiciones de presión,

El problema radica en la dificultad de su obtención ya que no es sencillo evitar que otras moléculas "contaminen" el resultado alterando la estructura y perdiendo así las propiedades tan maravillosas atribuidas a este material. Por esa razón, este material suele obtenerse en universidades y en muy pocas empresas ya que su propósito es experimental. Es tal la dificultad y el coste del proceso de obtención que algunas empresas está vendiendo grafito como si fuera grafeno y también grafeno con imperfecciones, perdiendo gran parte de las características que definen este material. En resumen, la obtención de grafeno es difícil, costoso y contaminante y, actualmente, se produce en pequeñas cantidades generalmente en laboratorios en forma de láminas para proyectos de investigación. El reto es producir el material a escala industrial a coste razonable, como en su momento lo fue la obtención del aluminio.

Métodos de obtención

* Deshojar el grafito con cinta adhesiva

Con este método se obtiene grafeno de gran calidad pero la producción es minúscula y, por tanto, no es viable desde el punto de vista industrial.

* Otros métodos

Producción mayor pero la calidad es insuficiente.

Presentación

* En lámina: Alta calidad, mantiene propiedades. Se usa en electrónica, aviación... Poca cantidad y caro.

* En polvo: Baja calidad, pierde propiedades. Mayor producción y más barato.

En relación a los productos que están saliendo al mercado prácticamente sólo observo aplicaciones experimentales y estudios de laboratorio. A pesar de ello, para tener una idea de la magnitud de sus ventajas y alto potencial, voy a exponer algunos usos que podría tener una vez solventado el tema de disponer de un proceso viable desde un punto de vista industrial (gran producción a coste razonable). Hemos de tener en cuenta el caso del aluminio que fue objeto de lujo hasta que se encontró la forma de producirlo en masa como hemos expuesto más arriba.

Algunos usos:

* Energía

Su resistencia, capacidad de aislamiento, configuración atómica y capacidad para aprovechar la energía lo convierten en el material ideal para centrales de todo tipo, tanto nucleares, ciclo combinado, térmicas, hidroeléctricas, solares,..

Ya se están fabricando paneles solares transparentes, lo que podría permitir su uso a lo largo de las fachadas de los edificios exponiendo una mayor cantidad de superficie y, por añadidura, una mayor obtención de energía procedente del sol. El  grafeno permitiría dotar de la necesaria transparencia y flexibilidad.

Se está investigando pilas de hidrógeno que utilicen el grafeno como material aislante del susodicho hidrógeno. Podría usarse para almacenar la energía permitiendo resolver uno de los desafíos que presenta hoy en día la generación de energía y desaprovechamiento del exceso. Se habla de su uso específico en electrodos y membranas de pilas de combustible para intercambio de protones. Asimismo, se investiga la capacidad de almacenamiento en grafeno imperfecto y su uso como supercondensadores.

* Conducción

Se considera un superconductor, por lo que podría permitir la transmisión a muy larga distancia de la energía desde su punto de origen por muy distante que se encuentre a su destino. Permite la fabricación de chips más rápidos y más pequeños.

Asimismo, su conductividad podría convertirlo en un sustituto de materiales como el oro, cobre o silicio.

* Aleaciones de grafeno

Consiste en la combinación del grafeno con plásticos y metales que doten de gran ligereza y resistencia.  Aviones, satélites, automóviles, edificios... todo esto y mucho más podría fabricarse con grafeno.

En 2015, se presentó el automóvil GTA SPANO fabricado en parte con grafeno.

* Teléfonos

Hay un interés desde la industria de teléfonos móviles en su uso. De hecho, desde 2015 ya existe algún prototipo experimental (batería, pantallas táctiles con mayor sensibilidad y menor consumo energético y, por tanto, mayor autonomía) .

Esta semana se hacía público que un grupo de científicos de la Universidad de Stanford había creado una batería de aluminio capaz de cargar un teléfono móvil en un minuto. Se trata de una batería de aluminio recargable utilizando el grafito para el cátodo cargado positivamente y aluminio para el ánodo cargado negativamente para alimentar la batería. Esta batería sería capaz de realizar más de 7.500 cargas sin perder capacidad mientras una batería de litio se queda agotada con 1.000 recargas.

* Nanotecnología

Debido a sus características, este material es ideal para el desarrollo de dispositivos de nanotecnología.

* Medicina

Fabricación de prótesis o tratamientos podrían constituir otro uso de este joven material.

La Universidad de Manchester ha concluido, después de investigaciones, que el óxido de grafeno es tóxico para las células anómalas e inocuo para las células sanas.en cáncer de pulmón y pecho. Sin embargo, hemos de tener en cuenta que, aunque esto fuera cierto, la investigación farmacéutica y médica exige unos protocolos que supondrían su posible aplicación de aquí a unas décadas por lo que su uso como tratamiento no es inminente.

* Wearables

Su reducido espesor, peso y propiedades eléctricas lo convierten en el material ideal para la fabricación de esta tecnología para llevar puesta.

Salud y medioambiente

Recientemente, desde algunos medios se apuntó a su posible impacto negativo en la salud de las nanopartículas liberadas en el aire y medios acuáticos. Como respuesta se argumenta que éstas se encuentran "encerradas" dentro de una estructura muy estable que no permite su liberación.

Países

China contiene el 70% de las reservas mundiales de grafito por lo que no extraña a nadie el interés que ha despertado este nuevo material en aquella región. El gobierno chino está fomentando la investigación y producción de grafeno y es uno de los países con más patentes relacionados con este producto.

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Conclusión

¿El grafeno es el material del futuro? Sin duda, pero primero hay que encontrar una forma rentable de producirlo y explotarlo a escala industrial y no sólo con propósitos experimentales en laboratorios de Universidades o empresas que actúan como proveedores de centros de investigaciones científicas.

La fibra de carbono debería tener una mayor presencia aunque es el precio el que limita su expansión. Su ligereza y resistencia convierten este material en uno de los más interesantes para la fabricación de aviones ya que reduce el peso y, por tanto, el consumo de combustible. Este material ya se utiliza en multitud de productos de competición o de alta calidad de la gama alta por su mejor rendimiento.

La sustitución del acero por otros materiales se viene produciendo en muchas industrias. Sin embargo, este proceso está siendo muy lento por diversas razones como el coste de fabricación o ciertas características que ofrece el acero en relación a otros materiales. Además, hay que tener en cuenta que sigue produciéndose una evolución de este material que muchas veces anula la ventaja competitiva de su sustituto. Por poner un ejemplo muy sencillo, el acero inoxidable es resistente a la corrosión lo que elimina la desventaja de la corrosión o el acero reforzado aumenta la resistencia. El proceso de sustitución continuará aunque el acero no desaparecerá de nuestras vidas en mucho tiempo, en mi opinión. Las proyecciones sí apuntan a una progresiva transición del acero al aluminio específicamente en la industria del automóvil y la alimentación y, en general, en muchos otros sectores.

Es posible que haya obviado algún otro material que se use en la industria o tenga cierto interés aunque creo que los principales productos utilizados en el mercado han quedado aquí reflejados.

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